JP2006208110A - Underwater detector and its display control method - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、海底地形や魚群などを探知する水中探知装置およびその表示制御方法に関する。 The present invention relates to an underwater detection device that detects seabed topography, a school of fish, and the like, and a display control method thereof.
図６は従来の水中探知装置で海底地形を探知する態様を示す図である。水中探知装置１０３は、船舶１０２の左右方向（船舶の進行方向に直交する方向）の真下に送受波器１０４から扇状の送信ビーム（不図示）を放射し、送信ビームよりも狭い扇状の探知範囲１０５（例えば、鉛直下方に対して−５５°から＋５５°の範囲）をペンシル状の受信ビーム１０６で走査し、海底１００からのエコーを含む受信ビーム１０６に基づいて探知された海底地形の画像を表示部に表示する。図において、１０１は海面、１０７は送受波器１０４の直下の海底１００の地点（以下、直下地点１０７という）、１０８〜１１０は受信ビーム１０６ｂによって探知される海底１００の地点である。図７は受信ビーム１０６の指向特性を示す図である。図において、ＭＬはメインローブ（破線で指向特性の主軸を示す）であり、ＳＬはメインローブＭＬの左右に生じるサイドローブである。この図は鉛直下方が探知されるときのものであり、探知方位が右下方であればメインローブＭＬの主軸も右下方を向く。図８は探知された海底地形が表示された表示部の画面を示す図である。図の破線１２０は実際の海底位置を示す。 FIG. 6 is a diagram showing a mode in which a seabed topography is detected by a conventional underwater detection device. The underwater detection device 103 radiates a fan-shaped transmission beam (not shown) from the transducer 104 directly below the left-right direction of the ship 102 (direction orthogonal to the traveling direction of the ship), and has a fan-shaped detection range narrower than the transmission beam. 105 (for example, a range of −55 ° to + 55 ° with respect to the vertical downward direction) is scanned with a pencil-shaped reception beam 106, and an image of the seabed topography detected based on the reception beam 106 including echoes from the seabed 100 is obtained. Display on the display. In the figure, 101 is the surface of the sea, 107 is a point of the seabed 100 immediately below the transducer 104 (hereinafter referred to as the point 107 directly below), and 108 to 110 are points of the seabed 100 detected by the reception beam 106b. FIG. 7 is a diagram showing the directivity characteristics of the reception beam 106. In the figure, ML is a main lobe (the main axis of directivity is indicated by a broken line), and SL is side lobes generated on the left and right of the main lobe ML. This figure is a case where the vertically lower part is detected. If the detection direction is the lower right part, the main axis of the main lobe ML also faces the lower right part. FIG. 8 is a diagram showing a screen of the display unit on which the detected seabed topography is displayed. The broken line 120 in the figure indicates the actual seabed position.
受信ビーム１０６ａによって船舶１０２の鉛直下方が探知されるときは、直下地点１０７の左右の海底１００からのエコーがサイドローブＳＬによって受信され、当該エコーによる画像１２１（図８）が実際の海底位置１２０の下方に表示される。このように表示されるのは、水中探知装置１０３がサイドローブＳＬによって受信されたエコー、すなわち直下地点１０７よりも遠い地点（例えば地点１０８）からのエコーも鉛直下方（探知方向）から到来したものとして処理するからである。尚、この画像１２１は海底１００での反射率や送受波器１０４から反射点までの距離などの関係で淡い画像として表示されるので、水中探知装置１０３の操作者は画像１２１が海底地形を示すものではないと判断することができる。 When the vertically lower portion of the ship 102 is detected by the reception beam 106a, echoes from the left and right sea floors 100 at the point 107 immediately below are received by the side lobes SL, and an image 121 (FIG. 8) by the echoes is an actual sea floor position 120. It is displayed below What is displayed in this way is that echoes received by the underwater detection device 103 by the side lobe SL, that is, echoes from a point farther away from the immediately lower point 107 (for example, point 108) also arrived from vertically below (detection direction). It is because it processes as. Since this image 121 is displayed as a pale image due to the reflectance at the seabed 100 or the distance from the transducer 104 to the reflection point, the operator of the underwater detection device 103 shows the seabed topography. It can be judged that it is not a thing.
一方、傾斜した受信ビーム１０６ｂによって直下地点１０７の右側の領域が探知されるときは、サイドローブＳＬにより直下地点１０７からのエコーが受信される。しかも、直下地点１０７での超音波の反射率が高く、送受波器１０４と直下地点１０７との距離も短いため、当該エコーは強い信号となる。この点については、受信ビーム１０６ｂ以外の傾斜した他の受信ビームでも同様である。このため、送受波器１０４と直下地点１０７との距離を半径とする円弧状の画像１２２（サイドローブＳＬによる偽像１２２という）が表示される。ここで、偽像とは実際の探知対象物（ここでは海底１００）を正しく示していない画像のことをいう。 On the other hand, when a region on the right side of the direct point 107 is detected by the inclined reception beam 106b, an echo from the direct point 107 is received by the side lobe SL. Moreover, since the reflectance of the ultrasonic wave at the direct point 107 is high and the distance between the transducer 104 and the direct point 107 is short, the echo is a strong signal. This also applies to other inclined receive beams other than the receive beam 106b. Therefore, an arc-shaped image 122 (referred to as a false image 122 by the side lobe SL) whose radius is the distance between the transducer 104 and the direct point 107 is displayed. Here, the false image refers to an image that does not correctly indicate the actual detection target object (here, the seabed 100).
また、受信ビーム１０６ａにおいては、鉛直下方からのエコーは略同じ時刻に受信されるが、受信ビーム１０６の傾斜が大きくなるのに従って、受信ビーム１０６でエコーを受信する海底１００の範囲が広くなり、探知方向からのエコーが所定の時間にわたって受信される。例えば、受信ビーム１０６ｂでは、地点１０８〜１１０からのエコーが順番に受信される。そして、これらのエコーは全て受信ビーム１０６ｂ（メインローブＭＬ）の指向特性の主軸方向からのエコーとして扱われるので、海底地形が厚く表示される。つまり、受信ビーム１０６ｂ（メインローブＭＬ）の広がりによる偽像１２３が表示される。このような偽像１２２，１２３が表示されるため、水中探知装置１０３の操作者が表示部の画像から海底地形を間違いなく認識することができないといった問題がある。 Further, in the reception beam 106a, echoes from vertically below are received at substantially the same time, but as the inclination of the reception beam 106 increases, the range of the seabed 100 that receives the echo with the reception beam 106 becomes wider, An echo from the detection direction is received over a predetermined time. For example, in the reception beam 106b, echoes from the points 108 to 110 are received in order. These echoes are all treated as echoes from the main axis direction of the directivity of the reception beam 106b (main lobe ML), so that the seabed topography is displayed thick. That is, the false image 123 due to the spread of the reception beam 106b (main lobe ML) is displayed. Since such false images 122 and 123 are displayed, there is a problem that the operator of the underwater detection device 103 cannot definitely recognize the seabed topography from the image on the display unit.
そこで、図９に示すように、受信ビーム信号の信号強度１３０が最大となる最大位置１３１を求め、さらに最大位置１３１に基づいて海底地形を求めることによって、受信ビーム１０６ｂ（メインローブＭＬ）の広がりによる偽像１２３を除去することが提案されている（例えば、特許文献１）。ここでは、最大位置１３１を受信ビームの最大利得方向とし、超音波を送信してから最大位置１３１までの経過時間から最大利得方向における海底までの距離を求める。 Therefore, as shown in FIG. 9, the maximum position 131 where the signal intensity 130 of the received beam signal is maximized is obtained, and further, the seabed topography is obtained based on the maximum position 131, thereby spreading the received beam 106 b (main lobe ML). It has been proposed to remove the false image 123 due to the above (for example, Patent Document 1). Here, the maximum position 131 is set as the maximum gain direction of the reception beam, and the distance from the elapsed time from transmission of the ultrasonic wave to the maximum position 131 to the seabed in the maximum gain direction is obtained.
また、海底地形の探知に関するものではないが、下記の特許文献２、３には、メインローブの広がりおよびサイドローブによる悪影響を除去するために、２つの振動子群（または２つの振動子）で受信した受信信号の位相差が所定値を超えているときには２つの受信信号を加算した和信号を０とする装置（水中探知装置、超音波診断装置）が示されている。下記の特許文献４には、残響およびノイズによる擬似エコーが表示されないように、スプリットビームの位相差を求め、所定期間での位相差の誤差分散値が所定値を超えるときには、エコー信号の信号強度が大きくても当該期間においてはエコーの画像を表示しないようにするソナーが示されている。下記の特許文献５には、スプリットビームのサイドローブ方向での位相差が所定の値になることが示されている。 Further, although not related to the detection of the seabed topography, the following Patent Documents 2 and 3 include two transducer groups (or two transducers) in order to remove the adverse effects of the main lobe spread and side lobes. A device (underwater detection device, ultrasonic diagnostic device) is shown in which the sum signal obtained by adding two received signals is set to 0 when the phase difference between the received signals exceeds a predetermined value. In Patent Document 4 below, the phase difference of the split beam is calculated so that a pseudo echo due to reverberation and noise is not displayed, and when the error variance value of the phase difference in a predetermined period exceeds a predetermined value, the signal strength of the echo signal A sonar is shown in which an echo image is not displayed during the period even if is large. The following Patent Document 5 shows that the phase difference in the side lobe direction of the split beam becomes a predetermined value.
特許文献１に示されるものにおいては、最大位置１３１が受信ビームの最大利得方向（探知方向）に該当することを前提としているが、海底地形によっては受信ビームの信号強度１３０が最大利得方向で最大とならないこともある。また、海底地形によっては、信号強度１３０の波形に複数のピークがあったり、ピークと前後の平坦部とが識別できないこともあり、最大位置１３１を求めることができるとは限らない。従って、上記のような場合には、海底地形を正しく探知することができないという問題がある。また、受信ビームの最大利得方向の海底地形が求められるだけであるので、隣接する受信ビームの最大利得方向の間の地点での海底地形を求めることができないという問題もある。この問題を解決するために受信ビームの幅（広がり角）を狭くすることも考えられるが、受信ビームの形成が難しく、探知時間が長くなるという問題も生じる。また、サイドローブＳＬによる偽像１２２の問題については解決されていない。尚、上述のサイドローブＳＬによる問題およびメインローブＭＬの広がりによる問題は、海底地形を探知するときに限定されるものではなく、魚群などを探知するときにも生じる問題である。 In the one disclosed in Patent Document 1, it is assumed that the maximum position 131 corresponds to the maximum gain direction (detection direction) of the received beam. However, depending on the seabed topography, the signal intensity 130 of the received beam is maximum in the maximum gain direction. Sometimes not. In addition, depending on the seabed topography, there may be a plurality of peaks in the waveform of the signal strength 130, or the peaks and the front and back flat portions may not be identified, and the maximum position 131 cannot always be obtained. Therefore, in the above case, there is a problem that the seabed topography cannot be detected correctly. Further, since only the seabed topography in the maximum gain direction of the received beam is obtained, there is a problem that the seabed topography at a point between the maximum gain directions of the adjacent received beams cannot be obtained. In order to solve this problem, it is conceivable to reduce the width (expansion angle) of the reception beam. However, it is difficult to form the reception beam and the detection time becomes long. Further, the problem of the false image 122 due to the side lobe SL is not solved. Note that the problem due to the side lobe SL and the problem due to the spread of the main lobe ML are not limited to detecting the seabed topography, but also occur when detecting a school of fish.
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、メインローブの広がりおよびサイドローブによる悪影響を除去すると共に、メインローブ内でのエコーの到来方向に応じて探知対象物を正確に探知することのできる水中探知装置を提供することにある。 The present invention solves the above-mentioned problems, and the object of the present invention is to remove the adverse effects due to the spread of the main lobe and the side lobes, and to detect according to the arrival direction of the echo in the main lobe. An object of the present invention is to provide an underwater detection device that can accurately detect an object.
第１の発明では、探知対象物で反射された超音波のエコーを受信し、エコーを含む受信信号に基づいて探知対象物の画像を表示する水中探知装置において、複数個の振動子の受信信号を整相することにより、所定の探知方位に向いた略平行な２つの受信ビーム信号を形成する受信ビーム形成手段と、各受信時刻での２つの受信ビーム信号の位相差を算出する位相差算出手段と、位相差算出手段で算出された各受信時刻での位相差が所定値未満であるときは、当該位相差から２つの受信ビーム信号が合成された合成ビームのメインローブ内におけるエコーの到来方向を求め、当該到来方向と当該受信時刻とに基づいて合成ビームによる探知対象物の画像を表示する位置を決め、当該位相差が所定値以上であるときは、合成ビームによる画像を表示しないようにする制御手段と、を備え、上記所定値はメインローブの所定範囲の境界における２つの受信ビーム信号の位相差である。ここで、上記の制御手段は、実施形態に示すエコー範囲減縮処理部、エコー方位補正処理部および到来角度メモリに相当するものである。 In the first invention, in an underwater detection device that receives an echo of an ultrasonic wave reflected by a detection object and displays an image of the detection object based on a reception signal including the echo, the reception signals of a plurality of transducers Phase difference calculation for calculating a phase difference between two reception beam signals at each reception time, and reception beam forming means for forming two substantially parallel reception beam signals directed to a predetermined detection direction And the phase difference at each reception time calculated by the phase difference calculating means is less than a predetermined value, the arrival of an echo within the main lobe of the combined beam obtained by combining the two received beam signals from the phase difference The direction is determined, the position for displaying the image of the detection target object by the combined beam is determined based on the arrival direction and the reception time, and when the phase difference is equal to or greater than a predetermined value, the image by the combined beam is displayed. And a control unit that is not so, the said predetermined value is the phase difference between two received beam signals at the boundary of a predetermined range of the main lobe. Here, the control means corresponds to the echo range reduction processing unit, the echo azimuth correction processing unit, and the arrival angle memory shown in the embodiment.
上記のようにすることで、サイドローブ方向から到来するエコーに関しては、算出された位相差が所定値以上となるので、サイドローブによる偽像が表示されなくなる。また、各受信時刻でのメインローブ内におけるエコーの到来方向を求め、当該到来方向と当該受信時刻とに基づいて探知対象物の画像を表示する位置を決めているので、探知対象物（または探知対象物の各部）からのエコーによる画像が探知対象物（または探知対象物の各部）に応じた位置に表示される。これにより、メインローブの広がりによる偽像が表示されなくなると共に、メインローブがある程度広がっていても探知対象物を細かい間隔で正確に探知することができる。尚、上記の所定値とは、例えば、実施形態に示すメインローブ内の所定範囲Ｒの境界での２つの受信ビーム信号の位相差（７５°）である。 By doing as described above, for the echoes coming from the side lobe direction, the calculated phase difference becomes equal to or larger than a predetermined value, so that the false image due to the side lobe is not displayed. In addition, since the arrival direction of the echo in the main lobe at each reception time is obtained and the position for displaying the image of the detection object is determined based on the arrival direction and the reception time, the detection object (or detection object) An image by echoes from each part of the object is displayed at a position corresponding to the detection object (or each part of the detection object). As a result, a false image due to the spread of the main lobe is not displayed, and the object to be detected can be accurately detected at fine intervals even if the main lobe is spread to some extent. The predetermined value is, for example, a phase difference (75 °) between two received beam signals at the boundary of the predetermined range R in the main lobe shown in the embodiment.
第１の発明の実施形態においては、制御手段は、探知方位とメインローブ内におけるエコーの到来方向とから探知対象物の画像を表示する位置の方位を決める。このようにすることで、探知方位が鉛直下方や鉛直下方に対して所定の角度をなす方位であっても、正しい位置に探知対象物の画像が表示される。 In the embodiment of the first invention, the control means determines the azimuth of the position for displaying the image of the detection target object from the detection azimuth and the arrival direction of the echo in the main lobe. By doing in this way, even if a detection azimuth | direction is a azimuth | direction which makes a predetermined angle with respect to the perpendicular | vertical downward direction or perpendicular | vertical downward direction, the image of a detection target object is displayed on the correct position.
また、第１の発明の実施形態においては、探知方位における２つの受信ビーム信号の位相差と当該位相差に相当する探知方位に対するエコーの到来角度とを対応付けて記憶するメモリを備え、制御手段は、探知方位および位相差算出手段で算出された位相差に該当するメモリに記憶された到来角度をメインローブ内におけるエコーの到来方向とする。このようにすることで、制御手段の演算速度を高速化しなくても、エコーの到来角度を得ることができる。尚、制御手段の演算速度を高速化することによって、その都度、探知方位および算出された位相差からエコーの到来角度を算出するようにすることもできる。 Further, in the first embodiment of the invention, there is provided a memory for storing the phase difference between the two received beam signals in the detection azimuth and the arrival angle of the echo with respect to the detection azimuth corresponding to the phase difference in association with each other. Uses the arrival angle stored in the memory corresponding to the phase difference calculated by the detection direction and phase difference calculation means as the arrival direction of the echo in the main lobe. In this way, the arrival angle of the echo can be obtained without increasing the calculation speed of the control means. Note that by increasing the calculation speed of the control means, the echo arrival angle can be calculated from the detection direction and the calculated phase difference each time.
さらに、第１の発明の実施形態においては、制御手段は、メインローブ内におけるエコーの到来方向に応じて合成ビームの信号強度を補正する。このようにすることで、エコーがメインローブ内の指向特性の高い方向から到来したか、または低い方向から到来したかに影響されることなく、探知対象物の各位置を同じ濃淡（または色彩）の画像で表示することができる。 Furthermore, in the embodiment of the first invention, the control means corrects the signal intensity of the combined beam according to the arrival direction of the echo in the main lobe. By doing so, the position of the object to be detected is the same shade (or color) regardless of whether the echo arrives from the direction of high directivity in the main lobe or from the low direction. It can be displayed with the image.
さらに、第１の発明の実施形態においては、超音波は海底に向けて扇状に放射され、エコーは海底からのものであり、受信ビーム形成手段は所定の探知方位を扇状の面内の各方位とする２つの受信ビーム信号を各受信時刻で順番に形成する。このようにすることで、各方位の海底の地形が正確に表示される。この場合、サイドローブによる偽像およびメインローブの広がりによる偽像が表示されないので、水中探知装置の操作者が海底地形を容易に認識することができる。 Furthermore, in the embodiment of the first invention, the ultrasonic waves are radiated in a fan shape toward the seabed, the echoes are from the seabed, and the reception beam forming means sets a predetermined detection direction to each direction in the fan-shaped plane. Are sequentially formed at each reception time. In this way, the seabed topography in each direction is accurately displayed. In this case, since the false image due to the side lobe and the false image due to the spread of the main lobe are not displayed, the operator of the underwater detection device can easily recognize the seabed topography.
第２の発明では、探知対象物で反射された超音波のエコーを受信し、エコーを含む受信信号に基づいて探知対象物の画像を表示する水中探知装置において、複数個の振動子の受信信号を整相することにより、所定の探知方位に向いた略平行な２つの受信ビーム信号を形成する受信ビーム形成手段と、各受信時刻での２つの受信ビーム信号の位相差を算出する位相差算出手段と、位相差算出手段で算出された各受信時刻での位相差に相当する、２つの受信ビーム信号が合成された合成ビームのメインローブの主軸方向に対するエコーの到来方向が当該主軸方向を含むメインローブの所定範囲内であるときは、当該到来方向と当該受信時刻とに基づいて合成ビームによる探知対象物の画像を表示する位置を決め、エコーの到来方向が上記所定範囲外であるときは、合成ビームによる画像を表示しないようにする制御手段と、を備える。ここで、上記の制御手段は、実施形態に示すエコー範囲減縮処理部、エコー方位補正処理部および到来角度メモリに相当するものである。 According to a second aspect of the present invention, in an underwater detection apparatus that receives an ultrasonic echo reflected from a detection object and displays an image of the detection object based on a reception signal including the echo, the reception signals of a plurality of transducers Phase difference calculation for calculating a phase difference between two reception beam signals at each reception time, and reception beam forming means for forming two substantially parallel reception beam signals directed to a predetermined detection direction And the arrival direction of the echo with respect to the main axis direction of the main lobe of the combined beam obtained by combining the two received beam signals, which corresponds to the phase difference at each reception time calculated by the phase difference calculating unit, includes the main axis direction. When it is within the predetermined range of the main lobe, the position for displaying the image of the detection target image by the combined beam is determined based on the arrival direction and the reception time, and the arrival direction of the echo is within the predetermined range. When it is, and a control unit not to display an image of the combined beam. Here, the control means corresponds to the echo range reduction processing unit, the echo azimuth correction processing unit, and the arrival angle memory shown in the embodiment.
上記のようにすることで、サイドローブ方向はメインローブの所定範囲外となり、サイドローブによる偽像が表示されなくなる。また、各受信時刻での位相差に相当するメインローブの主軸方向に対するエコーの到来方向がメインローブの所定範囲内であるときは、当該到来方向と当該受信時刻とに基づいて探知対象物の画像を表示する位置を決めているので、探知対象物（または探知対象物の各部）からのエコーによる画像が探知対象物（または探知対象物の各部）に応じた位置に表示される。これにより、メインローブの広がりによる偽像が表示されなくなると共に、メインローブがある程度広がっていても探知対象物を細かい間隔で正確に探知することができる。尚、上記の主軸方向を含むメインローブの所定範囲とは、例えば、実施形態に示す範囲Ｒである。 By doing so, the side lobe direction is outside the predetermined range of the main lobe, and the false image due to the side lobe is not displayed. In addition, when the arrival direction of the echo with respect to the main axis direction of the main lobe corresponding to the phase difference at each reception time is within the predetermined range of the main lobe, the image of the detection target object based on the arrival direction and the reception time Since the position for displaying is determined, an image by echoes from the detection target object (or each part of the detection target object) is displayed at a position corresponding to the detection target object (or each part of the detection target object). As a result, a false image due to the spread of the main lobe is not displayed, and the object to be detected can be accurately detected at fine intervals even if the main lobe is spread to some extent. The predetermined range of the main lobe including the main axis direction is, for example, the range R shown in the embodiment.
第３の発明は、探知対象物で反射された超音波のエコーを受信し、エコーを含む受信信号に基づいて探知対象物の画像を表示する水中探知装置の表示制御方法であって、複数個の振動子の受信信号を整相することにより、所定の探知方位に向いた略平行な２つの受信ビーム信号を形成する工程と、各受信時刻での２つの受信ビーム信号の位相差を算出する工程と、算出された各受信時刻での位相差に相当する、２つの受信ビーム信号が合成された合成ビームのメインローブの主軸方向に対するエコーの到来方向が当該主軸方向を含むメインローブの所定範囲内であるときは、当該到来方向と当該受信時刻とに基づいて合成ビームによる探知対象物の画像を表示する位置を決め、エコーの到来方向が上記所定範囲外であるときは、合成ビームによる画像を表示しないようにする工程と、を備える。 A third invention is a display control method for an underwater detection apparatus that receives an echo of an ultrasonic wave reflected by a detection target and displays an image of the detection target based on a reception signal including the echo. By phasing the reception signals of the transducers, a process of forming two substantially parallel reception beam signals directed to a predetermined detection direction and a phase difference between the two reception beam signals at each reception time are calculated. A predetermined range of the main lobe in which the arrival direction of the echo with respect to the main axis direction of the main lobe of the combined beam obtained by combining the two received beam signals is equivalent to the calculated phase difference at each reception time. Is determined based on the arrival direction and the reception time, and the position to display the image of the detection target object by the combined beam is determined. When the arrival direction of the echo is outside the predetermined range, the combined beam is Provided that images the steps to hide, and the.
上記のようにすることで、サイドローブ方向はメインローブの所定範囲外となり、サイドローブによる偽像が表示されなくなる。また、各受信時刻での位相差に相当するメインローブの主軸方向に対するエコーの到来方向がメインローブの所定範囲内であるときは、当該到来方向と当該受信時刻とに基づいて探知対象物の画像を表示する位置を決めているので、探知対象物（または探知対象物の各部）からのエコーによる画像が探知対象物（または探知対象物の各部）に応じた位置に表示される。これにより、メインローブの広がりによる偽像が表示されなくなると共に、メインローブがある程度広がっていても探知対象物を細かい間隔で正確に探知することができる。尚、上記の主軸方向を含むメインローブの所定範囲とは、例えば、実施形態に示す範囲Ｒである。 By doing so, the side lobe direction is outside the predetermined range of the main lobe, and the false image due to the side lobe is not displayed. Further, when the arrival direction of the echo relative to the main axis direction of the main lobe corresponding to the phase difference at each reception time is within a predetermined range of the main lobe, the image of the detection target object based on the arrival direction and the reception time Since the position for displaying is determined, an image by echoes from the detection target object (or each part of the detection target object) is displayed at a position corresponding to the detection target object (or each part of the detection target object). As a result, a false image due to the spread of the main lobe is not displayed, and the object to be detected can be accurately detected at fine intervals even if the main lobe is spread to some extent. The predetermined range of the main lobe including the main axis direction is, for example, the range R shown in the embodiment.
本発明によれば、サイドローブによる偽像およびメインローブの広がりによる偽像が表示されなくなると共に、探知対象物を細かい間隔で正確に探知することができる。 According to the present invention, the false image due to the side lobe and the false image due to the spread of the main lobe are not displayed, and the object to be detected can be detected accurately at fine intervals.
図１は本発明に係る水中探知装置の構成を示すブロック図である。図２は船舶の船底に取り付けられた送受波器の形状を示す図であり、船舶の後方から見たものである。まず、送受波器１について説明する。送受波器１の下面には複数の振動子（超音波トランスデューサ）２、ここでは１２個の直方体状の振動子２が一列に配置されている。図の紙面に直交する方向が振動子２の長手方向であり、図の左右方向が船舶の左右方向である。各振動子２から一斉に超音波が送信されることで、船舶の左右方向に沿った鉛直面に扇状の送信ビームが形成される。後述するように、左側の振動子２Ｌ１〜２Ｌ６の受信信号を合成することで第１の受信ビーム（左受信ビームともいう）が形成され、右側の振動子２Ｒ１〜２Ｒ６の受信信号を合成することで第２の受信ビーム（右受信ビームともいう）が形成される。この２つの受信ビームの指向特性の主軸方向は同じであり、２つの受信ビームでスプリットビームが構成される。また、左側の振動子２Ｌ１〜２Ｌ６からなる群を左振動子群２Ｌとよび、右側の振動子２Ｒ１〜２Ｒ６からなる群を右振動子群２Ｒとよぶ。この左右の振動子群２Ｌ、２Ｒの中心（重心）間距離は、超音波の波長よりも長くなっている。 FIG. 1 is a block diagram showing the configuration of an underwater detection device according to the present invention. FIG. 2 is a diagram showing the shape of the transducer attached to the bottom of the ship, as viewed from the rear of the ship. First, the transducer 1 will be described. A plurality of transducers (ultrasonic transducers) 2, here, twelve rectangular parallelepiped transducers 2 are arranged in a row on the lower surface of the transducer 1. The direction orthogonal to the paper surface of the figure is the longitudinal direction of the vibrator 2, and the left-right direction of the figure is the left-right direction of the ship. By transmitting ultrasonic waves from each transducer 2 at the same time, a fan-shaped transmission beam is formed on the vertical plane along the left-right direction of the ship. As will be described later, a first reception beam (also referred to as a left reception beam) is formed by combining the reception signals of the left transducers 2 L1 to 2 L6 , and the reception signals of the right transducers 2 R1 to 2 R6 . Are combined to form a second reception beam (also referred to as a right reception beam). The principal axis directions of the directivity characteristics of the two reception beams are the same, and a split beam is configured by the two reception beams. Further, a group composed of the left vibrators 2 L1 to 2 L6 is called a left vibrator group 2 L , and a group composed of the right vibrators 2 R1 to 2 R6 is called a right vibrator group 2 R. The distance between the centers (centers of gravity) of the left and right transducer groups 2 L and 2 R is longer than the wavelength of the ultrasonic wave.
次に、図１を参照して水中探知装置（以下、装置という）の構成および動作について説明する。以下の説明では、送受波器１の振動子２ごとの送信または受信の系統をチャンネルとよぶ。制御部３は、ＣＰＵ、メモリなどから構成され、不図示の操作部から入力されたデータや予めメモリに設定されているデータなどに基づいて、装置の各部を制御する。送信信号生成部５は、送受信切換回路４を介して各チャンネルの振動子２を駆動する所定の周波数（例えば、４０ｋＨｚ）の正弦波の送信信号を所定時間（例えば、１ｍ秒）だけ出力する。また、チャンネルごとに送信信号の位相制御も行う。そして、この送信信号で各振動子２が駆動されることにより、扇状の超音波の送信ビームが送受波器１から放射される。 Next, the configuration and operation of the underwater detection device (hereinafter referred to as device) will be described with reference to FIG. In the following description, the transmission or reception system for each transducer 2 of the transducer 1 is called a channel. The control unit 3 includes a CPU, a memory, and the like, and controls each unit of the apparatus based on data input from an operation unit (not shown) or data set in advance in the memory. The transmission signal generator 5 outputs a sine wave transmission signal having a predetermined frequency (for example, 40 kHz) for driving the vibrator 2 of each channel through the transmission / reception switching circuit 4 for a predetermined time (for example, 1 msec). In addition, the phase of the transmission signal is also controlled for each channel. Then, each transducer 2 is driven by this transmission signal, whereby a fan-shaped ultrasonic transmission beam is radiated from the transducer 1.
次に、受信系について説明する。海底などからのエコー信号を含む、各振動子２の受信信号は、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６で増幅される。増幅された受信信号は、ＢＰＦ（バンドパスフィルタ）７で上述の送信信号の周波数を含む所定の帯域幅以外の周波数の信号成分がノイズとして除去された後、Ａ／Ｄ変換器８でデジタル信号に変換される。Ａ／Ｄ変換器８は、所定のサンプリング周期で、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サンプリングし、サンプリングした信号（サンプルデータ）を順次出力する。第１位相でサンプリングした信号をＩ信号、第２位相でサンプリングした信号をＱ信号、Ｉ＋ｊＱ（ｊは虚数単位）をＩＱ信号とよぶ。このＩ信号とＱ信号とで表される受信信号に対して後述の受信ビーム形成部９Ｌ，９Ｒでｅｘｐ（ｊθＣ）を乗算することによって、各チャンネルの受信信号の位相がθＣだけ補正される。 Next, the receiving system will be described. A reception signal of each transducer 2 including an echo signal from the seabed or the like is amplified by the reception amplifier 6 via the transmission / reception switching circuit 4 for each channel. The amplified received signal is converted into a digital signal by the A / D converter 8 after a signal component having a frequency other than a predetermined bandwidth including the frequency of the transmission signal is removed as noise by a BPF (band pass filter) 7. Is converted to The A / D converter 8 receives the received signal with a first phase of an internal sine wave signal having the same frequency as the transmission signal and a second phase that is 90 degrees different from the first phase at a predetermined sampling period. Sampling is performed, and the sampled signal (sample data) is sequentially output. A signal sampled in the first phase is called an I signal, a signal sampled in the second phase is called a Q signal, and I + jQ (j is an imaginary unit) is called an IQ signal. By multiplying the reception signal represented by the I signal and the Q signal by exp (jθ C ) in later-described reception beam forming units 9L and 9R, the phase of the reception signal of each channel is corrected by θ C. The
受信ビーム形成部９Ｌ，９Ｒは、不図示のバッファメモリや、位相補正回路、ウエイト乗算回路、ＤＳＰ（デジタルシグナルプロセッサ）、係数メモリなどから構成され、各チャンネルの受信信号を合成して鉛直面内における各方位の受信ビーム信号を順番に出力する。海底地形の探知範囲が鉛直下方に対して−５５°〜＋５５°の範囲であり、各受信ビームの広がり角を２度とすると、５５の方位の受信ビーム信号が順番に形成されて出力される。受信ビーム形成部９Ｌは、振動子２Ｌ１〜２Ｌ６の受信信号を合成して左受信ビーム信号を出力する。また、受信ビーム形成部９Ｒは、振動子２Ｒ１〜２Ｒ６の受信信号を合成して右受信ビーム信号を出力する。尚、左受信ビーム信号または右受信ビーム信号を特定しない場合には、単に受信ビーム信号とよぶことにする。 The reception beam forming units 9L and 9R are configured by a buffer memory (not shown), a phase correction circuit, a weight multiplication circuit, a DSP (digital signal processor), a coefficient memory, and the like, and synthesize the reception signals of the respective channels in the vertical plane. The reception beam signals in each direction at are output in order. If the detection range of the seafloor topography is in the range of −55 ° to + 55 ° with respect to the vertical downward direction, and the spread angle of each reception beam is 2 degrees, reception beam signals in 55 directions are formed and output in order. . The reception beam forming unit 9L combines the reception signals of the transducers 2 L1 to 2 L6 and outputs a left reception beam signal. The reception beam forming unit 9R combines the reception signals of the transducers 2R1 to 2R6 and outputs a right reception beam signal. When the left reception beam signal or the right reception beam signal is not specified, it is simply referred to as a reception beam signal.
上記のバッファメモリは、Ａ／Ｄ変換器８から出力される各チャンネルのサンプルデータを一時的に格納するためのメモリである。ＤＳＰは、各方位の受信ビーム信号を形成するときに用いる、各チャンネルの受信信号の位相補正量θＣを算出して係数メモリに格納する。また、受信ビームの受信特性が所望の特性となるように、各チャンネルの受信信号に乗算するウエイト（１、０．５など）も算出して係数メモリに格納する。チャンネルごとに設けられた位相補正回路は、バッファメモリから読み出された各チャンネルの受信信号の位相を係数メモリに格納された当該チャンネルの位相補正量θＣで補正することにより、各チャンネルの受信信号を整相させる。チャンネルごとに設けられたウエイト乗算回路は、位相補正された各チャンネルの受信信号に係数メモリに格納された当該チャンネルのウエイトを乗算する。そして、ウエイトが乗算された各チャンネルの受信信号を加算することにより形成された方位別の受信ビーム信号が順番に受信ビーム形成部９Ｌ，９Ｒから出力される。 The buffer memory is a memory for temporarily storing the sample data of each channel output from the A / D converter 8. The DSP calculates the phase correction amount θ C of the reception signal of each channel, which is used when forming the reception beam signal of each direction, and stores it in the coefficient memory. Also, weights (1, 0.5, etc.) to be multiplied with the reception signals of the respective channels are calculated and stored in the coefficient memory so that the reception characteristics of the reception beam become desired characteristics. The phase correction circuit provided for each channel corrects the phase of the received signal of each channel read from the buffer memory with the phase correction amount θ C of the channel stored in the coefficient memory, thereby receiving each channel. Phase the signal. A weight multiplication circuit provided for each channel multiplies the phase-corrected received signal of each channel by the weight of the channel stored in the coefficient memory. Then, the reception beam signals for each direction formed by adding the reception signals of the respective channels multiplied by the weights are sequentially output from the reception beam forming units 9L and 9R.
図３は、上記のようにして形成された左受信ビーム信号および右受信ビーム信号にかかる２つの受信ビーム（スプリットビーム）が合成された合成ビームの受信特性、すなわち指向特性および位相特性を示す図である。図の横軸の角度は、合成ビームのメインローブＭＬの指向特性の主軸方向（主軸を一点鎖線で示す。以下、単に「主軸方向」ともいう）を０°としたときの、メインローブＭＬおよびサイドローブＳＬの各部の方向を角度で表したものである。実線で示す指向特性は、メインローブＭＬの主軸方向の指向特性（受信感度）を基準としたときのメインローブＭＬおよびサイドローブＳＬの各部における受信感度（単位はデシベル）を示す。破線で示す位相特性は、メインローブＭＬおよびサイドローブＳＬの各部（各方向）におけるスプリットビームの位相差、すなわち２つの受信ビームの位相差を示す。例えば、エコーが角度ＡＲの方向から到来した場合は、このエコーはメインローブＭＬによって受信され、２つの受信ビームの位相差は−７５°である。また、エコーが−３０°の方向から到来した場合は、このエコーはサイドローブＳＬによって受信され、２つの受信ビームの位相差は１８０°を幾分超える。 FIG. 3 is a diagram showing reception characteristics, that is, directivity characteristics and phase characteristics, of a combined beam obtained by combining two reception beams (split beams) applied to the left reception beam signal and the right reception beam signal formed as described above. It is. The angle of the horizontal axis in the figure represents the main lobe ML when the main axis direction (the main axis is indicated by a one-dot chain line; hereinafter, also simply referred to as “main axis direction”) of the directivity of the main lobe ML of the combined beam is 0 °. The direction of each part of the side lobe SL is represented by an angle. The directivity indicated by the solid line indicates the reception sensitivity (unit is decibel) in each part of the main lobe ML and the side lobe SL when the directivity characteristic (reception sensitivity) in the main axis direction of the main lobe ML is used as a reference. The phase characteristic indicated by the broken line indicates the phase difference between the split beams in each part (each direction) of the main lobe ML and the side lobe SL, that is, the phase difference between the two reception beams. For example, if the echo is coming from the direction of angle A R, the echoes are received by the main lobe ML, a phase difference between the two receive beams is -75 °. If the echo comes from a direction of −30 °, this echo is received by the side lobe SL, and the phase difference between the two received beams slightly exceeds 180 °.
上記の位相差はメインローブＭＬの主軸方向で０°であり、メインローブＭＬ内においては主軸方向から離れるに従って位相差（位相差の絶対値）が徐々に大きくなるが、最大値は１８０°程度である。そして、サイドローブＳＬにおいては、位相差は＋１８０°または−１８０°を中心として約３０°の振幅で変動する。従って、メインローブＭＬの所定範囲内、例えば位相差が−７５°から＋７５°の範囲（エコーの到来方向が−ＡＲからＡＲの範囲）であれば、位相差とメインローブＭＬの各部の方向（すなわち、エコーの到来方向）との関係が一義的に定まる。図３に示す位相特性は、ガウス関数やハニング窓などで上述のウエイト処理を行うことにより、例えば、振動子２Ｌ１〜２Ｌ６および振動子２Ｒ１〜２Ｒ６の受信信号に０．１、０．２、０．３、０．５、０．７、１．０のウエイトをそれぞれ乗算することにより得られる。 The phase difference is 0 ° in the main axis direction of the main lobe ML, and within the main lobe ML, the phase difference (absolute value of the phase difference) gradually increases as the distance from the main axis direction increases, but the maximum value is about 180 °. It is. In the side lobe SL, the phase difference fluctuates with an amplitude of about 30 ° around + 180 ° or −180 °. Thus, within a predetermined range of the main lobe ML, for example in the range of the phase difference is + 75 ° from -75 ° (direction of arrival of echoes from -A R A range of R) if, for each unit of the phase difference and the main lobe ML The relationship with the direction (that is, the arrival direction of the echo) is uniquely determined. The phase characteristics shown in FIG. 3 are obtained by performing the above-described weight processing using a Gaussian function, a Hanning window, or the like, for example, 0.1 or 0 for the reception signals of the transducers 2 L1 to 2 L6 and the transducers 2 R1 to 2 R6 .2, 0.3, 0.5, 0.7, and 1.0, respectively.
図４は、上述の左受信ビーム信号および右受信ビーム信号にかかる受信ビームＲＢＬおよびＲＢＲとエコーの到来方向（破線で示す）との関係を示す図である。ここでは、受信ビームＲＢＬ、ＲＢＲを指向特性の主軸で図示している。また、スプリットビームを構成する受信ビームＲＢＬ，ＲＢＲは、同じ探知方位に向き、互いに略平行である。図４（ａ）は受信ビームＲＢＬ、ＲＢＲの方向（探知方向）が鉛直下方であるときの例を示す図であり、受信ビームＲＢＬ、ＲＢＲに対して角度θ（この角度θを到来角度という）をなす方向からエコーが到来するものとする。このエコーが受信されると、受信ビームＲＢＬ、ＲＢＲにかかる２つの受信ビーム信号の位相差φは下記の式（１）で表される。
φ＝２πｄ・ｓｉｎθ／λ （１）
ここで、ｄは左振動群子２Ｌと右振動子群２Ｒとの中心間の距離であり、λは超音波の波長である。尚、エコーが探知方向、すなわち受信ビームＲＢＬ、ＲＢＲの主軸方向から到来した場合は、位相差φは０である。
Figure 4 is a diagram showing the relationship between the reception beam RB L and RB R and echo arrival direction according to the left reception beam signal and the right reception beam signal described above (shown in phantom). Here, it is shown receiving beam RB L, the RB R in the main axis of directivity characteristics. The reception beam RB L, RB R constituting the split beam is oriented in the same detection direction are substantially parallel to each other. 4 (a) is received beam RB L, a diagram showing an example of when the direction of RB R (detection direction) is vertically downward, the receiving beam RB L, the angle theta (the angle theta with respect to RB R It is assumed that an echo arrives from a direction that forms an angle of arrival). When the echo is received, the receiving beam RB L, the phase difference φ of the two received beam signals according to the RB R is represented by the following formula (1).
φ = 2πd · sin θ / λ (1)
Here, d is the distance between the centers of the left vibration Gunko 2 L and the right transducer group 2 R, lambda is the wavelength of the ultrasonic wave. Note that echo detection direction, that is, the reception beam RB L, when coming from the main axis of the RB R, the phase difference φ is zero.
図４（ｂ）は受信ビームＲＢＬ、ＲＢＲの方向と鉛直下方とのなす角度（この角度を走査角度という）がαであるときの例を示す図である。この走査角度は受信ビームを探知範囲内の各方位に走査するときの方位角度である。上述の受信ビーム形成部９Ｌ，９Ｒでは、各チャンネルの受信信号の位相が探知方向に直交する平面ＰＬで一致するように位相補正が行われるので、受信ビームＲＢＬ、ＲＢＲの方向から到来するエコーの位相差は０である。それに対し、受信ビームＲＢＬ、ＲＢＲに対して到来角度θの方向から到来するエコーが受信されると、受信ビームＲＢＬ、ＲＢＲにかかる２つの受信ビーム信号の位相差φは下記の式（２）で表される。
φ＝２πｄ・ｃｏｓ（α＋θ）・ｔａｎθ／λ （２）
4 (b) is a diagram showing an example of when the received beam RB L, the angle between the direction and vertically below the RB R (referred to the angular scan angle) is alpha. This scanning angle is an azimuth angle when the received beam is scanned in each direction within the detection range. Above the receiving beam forming unit 9 L, in 9R, since phase correction is performed so that the phase of the received signals of the respective channels are matched with the plane PL orthogonal to the detection direction, coming from the direction of the reception beam RB L, RB R The phase difference of the echo is zero. In contrast, the reception beam RB L, the echo coming from the direction of arrival angle θ with respect to RB R is received, the receiving beam RB L, the phase difference φ of the two received beam signals according to the RB R the following formula It is represented by (2).
φ = 2πd · cos (α + θ) · tan θ / λ (2)
上記の式（２）は式（１）を一般化したものであり、式（１）は式（２）のαを０としたものに相当する。また、受信ビームＲＢＬ、ＲＢＲの受信特性は図３に示すようになっているので、例えば到来角度θが−ＡＲから＋ＡＲの範囲であるとき、すなわち範囲Ｒの方向から到来したエコーがメインローブＭＬで受信されたときは、位相差φおよび走査角度αが決まれば、到来角度θが一義的に定まる。 The above equation (2) is a generalization of the equation (1), and the equation (1) corresponds to the equation (2) in which α is 0. The reception beam RB L, the reception characteristics of the RB R is as shown in FIG. 3, for example, when the arrival angle θ is in the range from -A R + A R, i.e. the echo coming from the direction of the range R Is received by the main lobe ML, the arrival angle θ is uniquely determined if the phase difference φ and the scanning angle α are determined.
図１の説明に戻る。信号強度算出部１０は、受信ビーム形成部９Ｌ，９Ｒからそれぞれ出力される左受信ビーム信号と右受信ビーム信号とから受信信号（エコー信号）の信号強度を算出する。ここで、左受信ビーム信号をＩＬ＋ｊＱＬとし、右受信ビーム信号をＩＲ＋ｊＱＲとすると、信号強度は下記の式（３）で表される。この信号強度は、１２個の振動子２の受信信号から形成される受信ビームであって、スプリットビームと略平行な受信ビーム、すなわち上述の合成ビームの信号強度であるともいえる。
信号強度＝√｛（ＩＬ＋ＩＲ）２＋（ＱＬ＋ＱＲ）２｝ （３）
位相差算出部１１は、上記の左受信ビーム信号と右受信ビーム信号とから両信号の位相差を下記の式（４）によって算出する。
φ＝ｔａｎ−１（ＱＬ／ＩＬ）−ｔａｎ−１（ＱＲ／ＩＲ） （４）
この位相差φと式（２）のφは同じものであり、式（４）によって位相差φが求まると、式（２）によって受信ビーム信号にかかるエコーの到来角度が定まる。
Returning to the description of FIG. The signal intensity calculation unit 10 calculates the signal intensity of the reception signal (echo signal) from the left reception beam signal and the right reception beam signal output from the reception beam forming units 9L and 9R, respectively. Here, when the left reception beam signal is I L + jQ L and the right reception beam signal is I R + jQ R , the signal intensity is expressed by the following equation (3). This signal intensity is a reception beam formed from the reception signals of the twelve transducers 2 and can be said to be a signal intensity of a reception beam substantially parallel to the split beam, that is, the above-described combined beam.
Signal strength = √ {(I L + I R ) 2 + (Q L + Q R ) 2 } (3)
The phase difference calculation unit 11 calculates the phase difference between both signals from the left reception beam signal and the right reception beam signal according to the following equation (4).
φ = tan −1 (Q L / I L ) −tan −1 (Q R / I R ) (4)
This phase difference φ and φ in equation (2) are the same, and when phase difference φ is obtained by equation (4), the arrival angle of the echo applied to the received beam signal is determined by equation (2).
エコー範囲減縮処理部１２は、位相差算出部１１から受取った位相差φが所定値以上であれば、信号強度算出部１０から受取った信号強度を０にして出力する。一方、位相差φが所定値未満であれば、当該信号強度をそのまま出力する。受信ビームの受信特性が図３に示されるものである場合に上記の所定値を７５°とすると、範囲Ｒ以外の方向から到来したエコーの信号強度は０となる。つまり、サイドローブＳＬによって受信されたエコー、およびメインローブＭＬの外側部によって受信されたエコーの信号強度が０となる。この結果、サイドローブＳＬによる偽像１２２（図８）が表示されなくなる。 If the phase difference φ received from the phase difference calculation unit 11 is equal to or greater than a predetermined value, the echo range reduction processing unit 12 sets the signal intensity received from the signal strength calculation unit 10 to 0 and outputs it. On the other hand, if the phase difference φ is less than the predetermined value, the signal intensity is output as it is. When the reception characteristic of the reception beam is as shown in FIG. 3 and the predetermined value is 75 °, the signal intensity of echoes coming from directions other than the range R is zero. That is, the signal intensity of the echo received by the side lobe SL and the echo received by the outer portion of the main lobe ML are zero. As a result, the false image 122 (FIG. 8) due to the side lobe SL is not displayed.
上記の所定値としては、受信感度がメインローブＭＬの主軸方向の受信感度よりも一定値（３ｄＢ、１５ｄＢなど）だけ小さいメインローブＭＬ内の方向における位相差（図３）であって、サイドローブＳＬにおける位相差の変動範囲内に含まれない位相差が採用される。ここでは、位相差φが所定値以上であるときには信号強度を０とするようにしているが、これはメインローブＭＬの所定範囲外の方向、例えば範囲Ｒ以外の方向（到来角度がＡＲ以上である方向）から到来したエコーによる画像が表示部１６に表示されないようにするための一方法例である。 The predetermined value is a phase difference (FIG. 3) in the direction in the main lobe ML whose reception sensitivity is smaller than the reception sensitivity in the main axis direction of the main lobe ML by a certain value (3 dB, 15 dB, etc.). A phase difference that is not included in the fluctuation range of the phase difference in SL is employed. Here, the phase difference φ is set as the 0 signal strength when a predetermined value or more, which is the direction of the outside of a predetermined range of the main lobe ML, for example in the range direction other than R (arrival angle A R or This is an example of a method for preventing an image due to an echo coming from a certain direction) from being displayed on the display unit 16.
到来角度メモリ１４には式（２）を用いて作成されたテーブルが予め保存されており、このテーブルには上記の走査角度αおよび位相差φごとに到来角度θが格納されている。ここでは、テーブルの走査角度αが−５４°から＋５４°まで２°刻みで増加し、位相差φが−７５°から＋７５°まで０．５°刻みで増加するものとする。走査角度αは既知であり、位相差φが式（４）で既に求められているので、この走査角度αおよび位相差φに該当する到来角度θが後述のエコー方位補正処理部１３によってテーブルから読み出される。 The arrival angle memory 14 stores in advance a table created using the equation (2), and this table stores the arrival angle θ for each of the scanning angle α and the phase difference φ. Here, it is assumed that the table scanning angle α increases in increments of 2 ° from −54 ° to + 54 °, and the phase difference φ increases in increments of 0.5 ° from −75 ° to + 75 °. Since the scanning angle α is known and the phase difference φ has already been obtained from the equation (4), the arrival angle θ corresponding to the scanning angle α and the phase difference φ is obtained from the table by the echo azimuth correction processing unit 13 described later. Read out.
尚、式（４）で算出される全ての位相差φでの到来角度θをテーブルに格納するためには膨大な記憶領域が必要となるので、例えば、算出された位相差φに対して丸め処理（例えば、１２．３８°を１２．５°とする処理）を施した位相差を用いて到来角度θをテーブルから読み出すようにする。また、テーブルの構成は上記のものに限定されるものではなく、走査角度αおよび到来角度θごとに位相差φをテーブルに格納しておき、走査角度αと位相差φとでテーブルをサーチすることによりサーチ条件を満たす到来角度θを得るようにしてもよい。 It should be noted that an enormous storage area is required to store the arrival angles θ at all the phase differences φ calculated by the equation (4) in the table. For example, the calculated phase difference φ is rounded off. The arrival angle θ is read from the table using the phase difference that has been subjected to the processing (for example, processing for changing 12.38 ° to 12.5 °). Further, the configuration of the table is not limited to the above, and the phase difference φ is stored in the table for each scanning angle α and arrival angle θ, and the table is searched with the scanning angle α and the phase difference φ. Thus, the arrival angle θ satisfying the search condition may be obtained.
エコー方位補正処理部１３は、エコーの到来方向をメインローブＭＬの主軸方向（走査角度αで定められる方向）として扱うのではなく、実際にエコーが到来した方位に補正し（置き換え）、その方位にエコーの画像を表示するためのデータを生成して出力する。尚、位相差算出部１１から受取った位相差φが所定値以上であるとき、すなわち信号強度が０であるときは、上記の処理は行われない。図５は、エコー方位補正処理部１３の動作を説明する図である。図において、ＲＢは信号強度算出部１０で算出された信号強度に相当する受信ビーム（合成ビーム）、ＲＢｍは受信ビームＲＢの主軸である。ＥＣ１〜ＥＣ５は、それぞれ時刻ｔ１〜ｔ５でサンプリングされた受信信号から形成された受信ビーム信号（エコー信号）であり、説明の都合で受信ビームＲＢの主軸ＲＢｍ上に図示されている。また、送受波器１から超音波が送信されたときの時刻を０とする。 The echo azimuth correction processing unit 13 does not treat the arrival direction of the echo as the main axis direction of the main lobe ML (direction determined by the scanning angle α), but corrects (replaces) it to the direction in which the echo actually arrives. Generate and output data to display the echo image. When the phase difference φ received from the phase difference calculation unit 11 is equal to or greater than a predetermined value, that is, when the signal strength is 0, the above processing is not performed. FIG. 5 is a diagram for explaining the operation of the echo azimuth correction processing unit 13. In the figure, RB is a received beam (combined beam) corresponding to the signal intensity calculated by the signal intensity calculating unit 10, and RBm is the main axis of the received beam RB. EC1 to EC5 are reception beam signals (echo signals) formed from reception signals sampled at times t1 to t5, respectively, and are illustrated on the main axis RBm of the reception beam RB for convenience of explanation. The time when the ultrasonic wave is transmitted from the transducer 1 is set to 0.
まず、時刻ｔ１でエコー信号ＥＣ１が受信されると、エコー方位補正処理部１３は、走査角度αおよび位相差算出部１１から受取った位相差φに該当するエコーの到来角度θを到来角度メモリ１４のテーブルから読み出す。そして、読み出された到来角度θが正であれば、エコー方位補正処理部１３は、エコー信号ＥＣ１が走査角度αから到来角度θだけ反時計方向に回転した方位にある地点であって、送受波器１の中心Ｑとの距離が（ｔ１×Ｃ／２）（Ｃは海中での音速（ｍ／秒））である地点からのエコーによるものであると決定する。一方、読み出された到来角度θが負であれば、エコーが走査角度αから到来角度θだけ時計方向に回転した方位から到来したと決定する。読み出された到来角度θをθ１（負の値）とすると、エコー信号ＥＣ１は海底１００の地点Ｐ１からのエコーによるものであると決定される。上記の到来角度θはメインローブＭＬの主軸方向に対するエコーの到来方向ともいえる。 First, when the echo signal EC1 is received at time t1, the echo azimuth correction processing unit 13 sets the arrival angle θ of the echo corresponding to the scanning angle α and the phase difference φ received from the phase difference calculation unit 11 to the arrival angle memory 14. Read from the table. If the read arrival angle θ is positive, the echo azimuth correction processing unit 13 is a point in the direction where the echo signal EC1 is rotated in the counterclockwise direction by the arrival angle θ from the scanning angle α. It is determined that the distance from the center Q of the waver 1 is due to an echo from a point where (t1 × C / 2) (C is the speed of sound in the sea (m / second)). On the other hand, if the read arrival angle θ is negative, it is determined that the echo has arrived from a direction rotated clockwise from the scanning angle α by the arrival angle θ. When the read arrival angle θ is θ1 (negative value), the echo signal EC1 is determined to be due to an echo from the point P1 on the seabed 100. The arrival angle θ can be said to be the arrival direction of the echo with respect to the main axis direction of the main lobe ML.
そして、エコー方位補正処理部１３は、上記の決定に従って、送受波器１と地点Ｐ１との距離および鉛直下方に対する地点Ｐ１の方位（α＋θ１）（送受波器１の中心Ｑを原点とする地点Ｐ１の極座標）、ならびにエコー範囲減縮処理部１２から受取った信号強度のデータを出力する。この信号強度はメインローブＭＬの指向特性（受信感度）に依存性を有するので、すなわちメインローブＭＬ内におけるエコーの到来方向によって信号強度が変動する（図３）ので、メインローブＭＬの指向特性の影響がキャンセルされるようにエコーの到来角度θに応じて信号強度のデータを補正することが望ましい。また、海底１００の地質（地盤の硬さなど）を反映した表示用の画像データを生成するためには、探知方位（走査角度α）に応じて信号強度のデータをさらに補正することが望ましい。 Then, according to the above determination, the echo azimuth correction processing unit 13 determines the distance between the transmitter / receiver 1 and the point P1 and the azimuth (α + θ1) of the point P1 with respect to the vertical downward direction (the point P1 having the center Q of the transmitter / receiver 1 as the origin). And the signal intensity data received from the echo range reduction processing unit 12 is output. Since this signal strength depends on the directivity (reception sensitivity) of the main lobe ML, that is, the signal strength varies depending on the arrival direction of the echo in the main lobe ML (FIG. 3). It is desirable to correct the signal intensity data according to the arrival angle θ of the echo so that the influence is canceled. In order to generate display image data reflecting the geology of the seabed 100 (such as the hardness of the ground), it is desirable to further correct the signal intensity data in accordance with the detection direction (scanning angle α).
エコー方位補正処理部１３はエコー信号ＥＣ２〜ＥＣ５についても同様の処理を行う。上記のテーブルから読み出されるエコー信号ＥＣ２〜ＥＣ５の到来角度θをそれぞれθ２（負の値）、θ３（０°）、θ４（正の値）、θ５（正の値）とすると、エコー信号ＥＣ２〜ＥＣ５がそれぞれ地点Ｐ２〜Ｐ５からのエコーによるものであると決定される。このようにして、ある方位の受信ビームＲＢで探知される地点Ｐ１〜Ｐ５の極座標が決定される。尚、走査角度αでエコー信号ＥＣ１〜ＥＣ５に対するそれぞれの処理が行われる前後には、他の方位（走査角度がαよりも大きい方位または小さい方位）の受信ビーム信号に関しても時刻ｔ１〜ｔ５でサンプリングされた受信信号に対する処理が行われる。また、図１では、信号強度算出部１０、位相差算出部１１、エコー範囲減縮処理部１２およびエコー方位補正処理部１３が別々のブロックで構成されているが、ＤＳＰ（またはＣＰＵ）やメモリなどからなるブロックで上記の各部の全てを実現するようにしてもよい。 The echo azimuth correction processing unit 13 performs the same processing on the echo signals EC2 to EC5. When the arrival angles θ of the echo signals EC2 to EC5 read from the above table are θ2 (negative value), θ3 (0 °), θ4 (positive value), and θ5 (positive value), respectively, the echo signals EC2 to EC2 It is determined that EC5 is due to echoes from points P2 to P5, respectively. In this way, polar coordinates of the points P1 to P5 detected by the reception beam RB in a certain direction are determined. Note that before and after each processing on the echo signals EC1 to EC5 is performed at the scanning angle α, the received beam signals in other directions (directions where the scanning angle is larger or smaller than α) are also sampled at times t1 to t5. The received received signal is processed. In FIG. 1, the signal intensity calculation unit 10, the phase difference calculation unit 11, the echo range reduction processing unit 12, and the echo azimuth correction processing unit 13 are configured by separate blocks, but a DSP (or CPU), a memory, or the like You may make it implement | achieve all the said each part by the block which consists of.
画像処理部１５は、エコー方位補正処理部１３から受取った極座標による海底１００の地点Ｐ１などの位置情報から、表示部１６における地点Ｐ１などの表示位置を求める。そして、求められた表示位置に信号強度のデータに応じた濃淡または色彩で海底地形を表示部１６に描画する。この際、地点Ｐ１〜Ｐ５は離間しているので、地点Ｐ１〜Ｐ５間で海底地形の画像を連続化するための画像処理も行う。この結果、地点Ｐ１〜Ｐ５を含む海底地形の画像が表示部１６に表示される。 The image processing unit 15 obtains a display position such as the point P1 on the display unit 16 from position information such as the point P1 on the seabed 100 based on the polar coordinates received from the echo azimuth correction processing unit 13. Then, the seafloor topography is drawn on the display unit 16 in the shade or color according to the signal intensity data at the obtained display position. At this time, since the points P1 to P5 are separated from each other, image processing for continuating the image of the seabed topography between the points P1 to P5 is also performed. As a result, an image of the seabed topography including the points P1 to P5 is displayed on the display unit 16.
以上で述べたように、２つの受信ビーム信号の位相差φが所定値以上であるとき、すなわちエコーがサイドローブＳＬによって受信されたときは、受信ビーム信号による画像を表示部１６に表示しないようにしているので、サイドローブＳＬによる偽像１２２（図８）が表示されなくなる。また、エコーの受信時刻ごとにメインローブＭＬ内におけるエコーの到来方向を求め、当該到来方向に従って海底地形を表示部１６に表示するようにしているので、メインローブＭＬの広がりによる偽像１２３（図８）が表示されなくなると共に、受信ビームＲＢ（メインローブＭＬ）がある程度広がっていても海底地形を細かい間隔（図５のＰ１〜Ｐ５間の間隔）で探知することができる。 As described above, when the phase difference φ between the two received beam signals is greater than or equal to a predetermined value, that is, when an echo is received by the side lobe SL, the image by the received beam signal is not displayed on the display unit 16. Therefore, the false image 122 (FIG. 8) due to the side lobe SL is not displayed. Further, the arrival direction of the echo in the main lobe ML is obtained for each reception time of the echo, and the seafloor topography is displayed on the display unit 16 in accordance with the arrival direction, so that the false image 123 (see FIG. 8) is not displayed, and even when the reception beam RB (main lobe ML) spreads to some extent, the seabed topography can be detected at a fine interval (interval between P1 to P5 in FIG. 5).
以上述べた実施形態においては、扇状の送信ビームの範囲内の各方位を受信ビームで走査することにより海底地形を探知する場合について説明したが、スキャニングソナーで傘状の送信ビームを用いて魚群を水平方向で探知する場合や、扇状の送信ビームを用いて魚群を縦方向で探知する場合にも本発明を実施することができる。これにより、サイドローブＳＬよって受信されたエコーによる魚群の偽像が表示されなくなると共に、メインローブＭＬよって受信されたエコーによる魚群を正確な位置、すなわちメインローブＭＬ内におけるエコーの到来方向に応じた位置に表示することが可能となる。 In the embodiment described above, the case where the seabed topography is detected by scanning each direction within the range of the fan-shaped transmission beam with the reception beam has been described. However, the scanning sonar is used to detect the fish school using the umbrella-shaped transmission beam. The present invention can also be implemented when detecting in the horizontal direction or when detecting a school of fish in the vertical direction using a fan-shaped transmission beam. As a result, the false image of the school of fish due to the echo received by the side lobe SL is not displayed, and the school of fish by the echo received by the main lobe ML is displayed in an accurate position, that is, according to the arrival direction of the echo in the main lobe ML. It is possible to display the position.
また、上記実施形態では、送受波器１から扇状の送信ビームを放射し、探知範囲内を受信ビームで電気的に走査するようにしたが、送受波器をモータなどで機械的に回転させることにより、各方位に送信ビームおよび受信ビームを形成するサーチライトソナー（ＰＰＩソナーともいう）や、鉛直下方を探知する魚群探知機においても本発明を実施することができる。さらに、上記実施形態では、送受波器１で超音波を送受信するようにしたが、送波器で超音波を送信し、受波器で超音波（エコー）を受信するようにしてもよい。さらに、上記実施形態では、送受波器１の下面に平面状に振動子２が配置されていたが、円筒の表面に多数の振動子が配置された円筒形の送受波器や球体の表面に多数の振動子が配置された球形の送受波器を用いても本発明を実施することができる。その場合には、送受波器の形状に即した態様で送信信号および受信信号の位相を制御することにより、送信ビームおよび受信ビームが形成される。 In the above embodiment, a fan-like transmission beam is emitted from the transducer 1 and the detection range is electrically scanned with the reception beam. However, the transducer is mechanically rotated by a motor or the like. Thus, the present invention can also be implemented in a searchlight sonar (also referred to as a PPI sonar) that forms a transmission beam and a reception beam in each azimuth and a fish finder that detects a vertically downward direction. Furthermore, in the said embodiment, although the ultrasonic wave was transmitted / received with the transmitter / receiver 1, you may make it transmit an ultrasonic wave with a transmitter and receive an ultrasonic wave (echo) with a receiver. Further, in the above embodiment, the vibrator 2 is arranged in a plane on the lower surface of the transducer 1, but on the surface of a cylindrical transducer or sphere in which a large number of vibrators are arranged on the surface of the cylinder. The present invention can also be implemented using a spherical transducer in which a large number of transducers are arranged. In that case, the transmission beam and the reception beam are formed by controlling the phases of the transmission signal and the reception signal in a manner corresponding to the shape of the transducer.
１ 送受波器
２、２Ｌ１〜２Ｌ６、２Ｒ１〜２Ｒ６ 振動子
２Ｌ 左振動子群
２Ｒ 右振動子群
９Ｌ，９Ｒ 受信ビーム形成部
１１ 位相差算出部
１２ エコー範囲減縮処理部
１３ エコー方位補正処理部
１４ 到来角度メモリ
ＭＬ メインローブ
ＲＢＬ 左受信ビーム（スプリットビーム）
ＲＢＲ 右受信ビーム（スプリットビーム）
ＳＬ サイドローブ
α 走査角度
θ、θ１、θ２、θ４、θ５ 到来角度
1 transducer 2,2 L1 ~2 L6, 2 R1 ~2 R6 vibrator 2 L left transducer group 2 R right transducer groups 9 L, 9R receive beamforming unit 11 phase difference calculator 12 echo range subsampling processing unit 13 Echo direction correction processing unit 14 Arrival angle memory ML Main lobe RB L Left reception beam (split beam)
RB R Right receive beam (split beam)
SL Sidelobe α Scan angle θ, θ1, θ2, θ4, θ5 Arrival angle
Claims (7)
複数個の振動子の受信信号を整相することにより、所定の探知方位に向いた略平行な２つの受信ビーム信号を形成する受信ビーム形成手段と、
各受信時刻での前記２つの受信ビーム信号の位相差を算出する位相差算出手段と、
前記位相差算出手段で算出された各受信時刻での位相差が所定値未満であるときは、当該位相差から前記２つの受信ビーム信号が合成された合成ビームのメインローブ内におけるエコーの到来方向を求め、当該到来方向と当該受信時刻とに基づいて前記合成ビームによる探知対象物の画像を表示する位置を決め、当該位相差が所定値以上であるときは、前記合成ビームによる画像を表示しないようにする制御手段と、を備え、
前記所定値はメインローブの所定範囲の境界における前記２つの受信ビーム信号の位相差であることを特徴とする水中探知装置。 In an underwater detection device that receives an echo of an ultrasonic wave reflected by a detection object and displays an image of the detection object based on a reception signal including the echo,
Receiving beam forming means for forming two receiving beam signals substantially parallel to a predetermined detection direction by phasing the receiving signals of a plurality of transducers;
Phase difference calculating means for calculating a phase difference between the two received beam signals at each reception time;
When the phase difference at each reception time calculated by the phase difference calculation means is less than a predetermined value, the arrival direction of the echo within the main lobe of the combined beam obtained by combining the two received beam signals from the phase difference And determines the position for displaying the image of the detection target object by the combined beam based on the arrival direction and the reception time, and when the phase difference is equal to or greater than a predetermined value, the image by the combined beam is not displayed. And a control means for making
The underwater detection device, wherein the predetermined value is a phase difference between the two received beam signals at a boundary of a predetermined range of a main lobe.
前記制御手段は、前記探知方位と前記メインローブ内におけるエコーの到来方向とから探知対象物の画像を表示する位置の方位を決めることを特徴とする水中探知装置。 The underwater detection device according to claim 1,
The underwater detection device, wherein the control means determines an orientation of a position for displaying an image of the detection target object from the detection direction and an arrival direction of an echo in the main lobe.
前記探知方位における前記２つの受信ビーム信号の位相差と当該位相差に相当する前記探知方位に対するエコーの到来角度とを対応付けて記憶するメモリを備え、
前記制御手段は、前記探知方位および前記位相差算出手段で算出された位相差に該当する前記メモリに記憶された到来角度を前記メインローブ内におけるエコーの到来方向とすることを特徴とする水中探知装置。 The underwater detection device according to claim 2,
A memory for storing the phase difference between the two received beam signals in the detection direction and the arrival angle of the echo corresponding to the detection direction corresponding to the phase difference;
The control means uses the arrival angle stored in the memory corresponding to the detection azimuth and the phase difference calculated by the phase difference calculation means as the arrival direction of the echo in the main lobe. apparatus.
前記制御手段は、前記メインローブ内におけるエコーの到来方向に応じて前記合成ビームの信号強度を補正することを特徴とする水中探知装置。 The underwater detection device according to any one of claims 1 to 3,
The underwater detection apparatus, wherein the control means corrects the signal intensity of the combined beam in accordance with an arrival direction of an echo in the main lobe.
前記超音波は海底に向けて扇状に放射され、前記エコーは海底からのものであり、前記受信ビーム形成手段は前記所定の探知方位を扇状の面内の各方位とする前記２つの受信ビーム信号を各受信時刻で順番に形成することを特徴とする水中探知装置。 The underwater detection device according to any one of claims 1 to 4,
The ultrasonic waves are radiated in a fan shape toward the seabed, the echoes are from the seabed, and the reception beam forming means uses the two received beam signals with the predetermined detection direction as each direction in the fan-shaped plane. Are formed in order at each reception time.
複数個の振動子の受信信号を整相することにより、所定の探知方位に向いた略平行な２つの受信ビーム信号を形成する受信ビーム形成手段と、
各受信時刻での前記２つの受信ビーム信号の位相差を算出する位相差算出手段と、
前記位相差算出手段で算出された各受信時刻での位相差に相当する、前記２つの受信ビーム信号が合成された合成ビームのメインローブの主軸方向に対するエコーの到来方向が当該主軸方向を含むメインローブの所定範囲内であるときは、当該到来方向と当該受信時刻とに基づいて前記合成ビームによる探知対象物の画像を表示する位置を決め、前記エコーの到来方向が前記所定範囲外であるときは、前記合成ビームによる画像を表示しないようにする制御手段と、を備えたことを特徴とする水中探知装置。 In an underwater detection device that receives an echo of an ultrasonic wave reflected by a detection object and displays an image of the detection object based on a reception signal including the echo,
Receiving beam forming means for forming two receiving beam signals substantially parallel to a predetermined detection direction by phasing the receiving signals of a plurality of transducers;
Phase difference calculating means for calculating a phase difference between the two received beam signals at each reception time;
The arrival direction of the echo with respect to the main axis direction of the main lobe of the combined beam obtained by combining the two received beam signals, corresponding to the phase difference at each reception time calculated by the phase difference calculating means, includes the main axis direction. When the position is within the predetermined range of the lobe, the position for displaying the image of the detection target image by the combined beam is determined based on the arrival direction and the reception time, and the arrival direction of the echo is outside the predetermined range And an underwater detection device comprising control means for preventing an image from the combined beam from being displayed.
複数個の振動子の受信信号を整相することにより、所定の探知方位に向いた略平行な２つの受信ビーム信号を形成する工程と、
各受信時刻での前記２つの受信ビーム信号の位相差を算出する工程と、
前記算出された各受信時刻での位相差に相当する、前記２つの受信ビーム信号が合成された合成ビームのメインローブの主軸方向に対するエコーの到来方向が当該主軸方向を含むメインローブの所定範囲内であるときは、当該到来方向と当該受信時刻とに基づいて前記合成ビームによる探知対象物の画像を表示する位置を決め、前記エコーの到来方向が前記所定範囲外であるときは、前記合成ビームによる画像を表示しないようにする工程と、を備えたことを特徴とする表示制御方法。 A display control method for an underwater detection device that receives an echo of an ultrasonic wave reflected by a detection target and displays an image of the detection target based on a reception signal including the echo,
Forming two substantially parallel received beam signals oriented in a predetermined detection direction by phasing the received signals of a plurality of transducers;
Calculating a phase difference between the two received beam signals at each reception time;
The arrival direction of the echo with respect to the main axis direction of the main lobe of the combined beam obtained by combining the two received beam signals corresponding to the calculated phase difference at each reception time is within a predetermined range of the main lobe including the main axis direction. Is determined based on the arrival direction and the reception time, the position for displaying the image of the detection target object by the combined beam is determined, and when the arrival direction of the echo is outside the predetermined range, the combined beam A display control method comprising: a step of not displaying an image according to the above.
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