JP2004301737A - Simple substance echo detection method with hull vibration compensation, simple substance echo sensing device, and echo-tracking method - Google Patents
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Abstract
Description
【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、船体の動揺の影響を受けずに、高精度に単体魚からの反射エコーを得ることが可能な動揺補正付き単体エコー検出方法、単体エコー検出装置およびエコートラッキング方法に関する。
【0002】
【従来の技術】
水産資源調査、海中への漁具投入前の魚体長の把握に計量魚群探知機が使用されている。計量魚群探知機は、単体魚から反射された単体エコーを検出して、単体エコーから魚体長を推定して外部に魚体長等の情報を出力するものである。
【0003】
計量魚群探知機は送受波器全体で音波を送波し、ターゲットからの反射波を受信する。音波は指向特性を持つため、図12(a)に示すターゲットが送受波器5の指向軸付近に存在する場合と、図12(b)に示すターゲットが指向軸より離れた位置に存在する場合とでは、図12(a)、図12(b)に示すように受信レベルの大きさに差が生じる。受信レベルの差は魚体長の推定を行なう際に誤差となるため、指向特性の影響をなくすように補正しなければならない。補正手段としては、ターゲットの位置角を求める、指向特性の影響を受けない送受波を行うなどがある。
【0004】
図12(b)に示す送受波器5の指向軸に対する単体魚(ターゲット)の位置角θを検出する方法としては、スプリットビーム法が知られている(例えば、特許文献1参照。)。スプリットビーム法は4つの受信ビーム(前ビーム、後ビーム、左ビーム、右ビーム)を構成し、単体魚からの反射エコーの時間差を検出して位置角θを求める方法である。また、指向性の影響を除去する方法としてデュアルビーム法が知られている(例えば、同特許文献1参照。)。デュアルビーム法はナローとワイドの2つの受信ビームで構成して、単体魚からナローとワイドのビームの反射エコーの強度から指向性の影響を除去する方法である。
【0005】
しかしながら、船に揺れが発生した場合には、送受波器5の指向軸が変動して、検出した位置角に誤差が発生する。このため、船の動揺に合わせてビームを補正し音波の送受信を行う必要がある。ビームの補正には、振動子を複数個配列した送受波器を構成し、各振動子の位相を制御して動揺に応じた指向性を形成し、送受波器の指向軸を安定させる方法(例えば、特許文献2参照。)、送受波器を機械的なジンバル構造にして船の動揺に送受波器が追従するようにした方法などがある。
【0006】
また、魚体長の推定だけでなく、自然状態での魚の遊泳方向、遊泳速度などの魚の行動を知ることも重要である。魚の行動を知るには水中カメラにより観察が行われるが、
1)カメラの固定が難しいためターゲットの傾角の推定に誤差を生じる。
2)海中では照明が必要となることがあり、自然状態での観察ができない。
3)近距離でしか観察できない。
などの課題があるあるため、スプリットビーム法により単体エコーを検出して、エコートレースにより魚の行動観察が行われている。
【0007】
【特許文献1】
特許第2620983号公報
【特許文献2】
特開平6−201818号公報
【0008】
【発明が解決しようとする課題】
スプリットビーム法、デュアルビーム法は、送受波器の指向軸に対する魚の位置を検出するのに有効である。しかし、船体が動揺した場合には送受波器の指向軸が変動して、魚に入射されるビームの角度が一定とならないため、魚が持つ反射指向性の影響を受けて、単体魚の検出精度が悪くなってしまう。このため、前述したように、船体の動揺に合わせて、ビームを補正することが必要となる。
【0009】
しかしながら、振動子を複数個配列した送受波器で指向軸を安定させる方法は、送受波器のサイズが大きくなり、送受波の制御も複雑になってしまう。また、送受波器を機械的なジンバル構造にして船の動揺に送受波器が追従するようにした方法は、装置に特別な機構を必要とするため、構成が複雑化して大型となり、装置が高価なものになるといった課題がある。
【0010】
そこで、本発明は、船の動揺を考慮した最適なタイミングで送受信を行い、単体魚の反射エコーをより高精度で得ることが可能な動揺補正付き単体エコー検出方法、単体エコー検出装置およびエコートラッキング方法を提供することを目的とする。
【0011】
【課題を解決するための手段】
本発明による動揺補正付き単体エコー検出方法は、船体の動揺を傾斜角で検出するステップと、検出した傾斜角が予め設定した0度を含む設定値の範囲内であるかを判断するステップと、傾斜角が設定値の範囲内のときに音波を海底に送波するステップと、音波を受信するステップと、音波の受信レベルが予め設定した規準の範囲内であるかを判断するステップと、受信レベルが規準の範囲内のときに単体エコーとして検出するステップとからなるものである。
【0012】
また、本発明による単体エコー検出装置は、船体の動揺を傾斜角で検出する船体動揺検出手段と、音波を海底に送波する音波送信手段と、音波を受信する音波受信手段と、音波受信手段からの信号を解析して単体エコーを検出する単体エコー検出手段とからなる単体エコー検出装置において、前記船体動揺検出手段からの傾斜角が予め設定した0度を含む設定値の範囲内のときに、前記音波送信手段が音波を海底に送波するようにしたものである。
【0013】
また、本発明による単体エコー検出装置の船体動揺検出手段は、船体の動揺を傾斜角で検出し、検出した傾斜角を外部に出力する動揺検出装置からなるものである。
【0014】
また、本発明によるエコートラッキング方法は、船体の動揺を傾斜角で検出するステップと、検出した傾斜角が予め設定した0度を含む設定値の範囲内であるかを判断するステップと、傾斜角が設定値の範囲内のときに音波を海底に送波するステップと、音波を受信するステップと、音波を受信する毎に音波の受信レベルが予め設定した規準の範囲内であるかを判断するステップと、受信レベルが規準の範囲内のときに単体エコーとして検出するステップと、単体エコーからターゲットの位置ベクトルを算出するステップと、第n回目の送波から得られた単体エコーと第n+1回目の送波から得られた単体エコー間の距離を算出するステップと、予め設定した第1の予測円内に位置して、かつ最短の距離の単体エコーを同一のターゲットと判断するステップと、同一のターゲットと判断した2点の単体エコーの位置ベクトルより決まる直線上にターゲットの推定位置を算出するステップと、第n+3回目の送波より得られた単体エコーで、推定位置から予め設定した第2の予測円内で最も推定位置に近い単体エコーを同一のターゲットとして検出するステップとからなるものである。
【0015】
【発明の実施の形態】
以下図面を参照して、本発明による動揺補正付き単体エコー検出方法、単体エコー検出装置およびエコートラッキング方法の実施の形態について説明する。図1はの単体エコー検出装置の構成を示す図、図2は、動揺計の構成を示す図、図3は、動揺計のマイクロコンピュータのメモリに記憶されたプログラムの構成を示す図、図4は、積分演算の伝達関数のブロック線図を示す図、図5は、ロール角、ピッチ角と方位角および地頂角との関係を示す図、図6は、単体エコーの検出および魚体長の推定までの手順を示すフローチャートである。
【0016】
図1に示すように、単体エコー検出装置1は、船のロール角およびピッチ角の検出を行う動揺計3と、音波を送信してターゲットからの反射波を受信する送受波器5と、送受波器5との送信信号と受信信号を切り替える送信受信切替器6と、所定の周波数で発振して信号を増幅する送信増幅器7と、送信受信切替器6からの受信信号を増幅する受信増幅器8と、送信受信切替器6からの受信信号から位相を検出する受信位相検出器9と、動揺計(動揺検出装置)3からの信号により送信増幅器7に発振指令を発し、受信増幅器8および受信位相検出器9からの信号をデジタル処理して単体エコー等を検出するデジタル信号処理部10と、デジタル信号処理部10からのデータを記憶、蓄積して処理を行う中央処理装置15とから構成される。
【0017】
動揺計3は、船のロールおよびピッチの傾斜角の検出を行うものであり、図2に示すように、圧電型振動ジャイロからなる角速度計3aと、角速度計3aからのアナログ信号をデジタルに変換するAD変換器3bと、デジタルフィルタ処理等を行うマイクロコンピュータ3cと、ロールおよびピッチの傾斜角データを外部に出力する出力部3dとで構成されている。なお、動揺計3は、ロール検出用の角速度計3aとピッチ検出用の角速度計3aとを備えている。
【0018】
図3にマイクロコンピュータ3cのデジタルフィルタ処理の構成を示す。図3に示すローパスフィルタおよびハイパスフィルタは、マイクロコンピュータ3cのメモリにプログラムで記憶されており、プログラムを実行してフィルタ処理を行うようになっている。
【0019】
動揺計3の圧電型振動ジャイロは、圧電セラミックの圧電特性を利用して振動させ、その振動に対し回転角速度Ωが加わると、コリオリ力が発生し、その力を電圧に変換するものである。発生するコリオリ力は角速度Ωに比例している。出力は角速度Ωに比例した値であるので、出力値を積分して角度を算出するようにする。角度の算出は、角速度計3aからの出力電圧をAD変換器3bによりデジタルデータに変換する。なお、AD変換器3bのサンプリング周波数は20Hzである。次に、マイクロコンピュータ3cからなるローパスフィルタでフィルタリングを行う。ローパスフィルタは、角速度計3aから出力される信号に含まれるノイズをカットするためのものである。次に、ローパスフィルタからの信号をマイクロコンピュータ3cからなる積分器としてのハイパスフィルタで処理を行う。
【0020】
以下に、動揺計3に内蔵されているローパスフィルタおよびハイパスフィルタについて説明する。振動ジャイロからの角速度の出力信号をh(t)=A・e(jωt)とすると、角度は角速度を積分することにより算出される。角度をH(t)とすると、H(t)=A/(jω)・e(jωt)となる。
【0021】
離散化した角速度h(t)を単純時間積分すると、
H(t)=Δt・h(t)+H(t−1)となる。しかしながら、圧電型振動ジャイロの持つドリフトと非線形により、単純時間積分は発散してしまう。このため、複数回積分したものをフィードバックして、入力から差し引きするようにして低周波成分を取り除く。図4に積分演算の伝達関数のブロック線図を示す。図4(a)に示すように、入力信号の積分を2回行い、それぞれの積分後に信号をフィードバックするようにしている。図4(b)は、図4(a)に示す伝達関数を1つの伝達関数で示したブロック線図である。
【0022】
信号の低周波成分を取り除くために、図4に示す積分処理をハイパスフィルタで行うようにする。ハイパスフィルタは、バタワース型のフィルタを用いている。2次のバタワース型フィルタの基本式(1)は
【0023】
【数1】
である。ローパスフィルタの場合には基本式(1)のsにs/ωを代入し、ハイパスフィルタではsにω/sを代入する。なお、ωは角周波数を示す。
2次のバタワース型のハイパスフィルタの伝達関数は(2)で示される。
【0024】
【数2】
なお、振動ジャイロは角速度出力時に微分要素を既に持っているので、最終的な伝達関数は(3)となる。
【0025】
【数3】
次に、2次のIIR型のデジタルフィルタを作成するために、sZ変換を行う。
【0026】
【数4】
を代入すれば
【0027】
【数5】
となり、漸化式から
【0028】
【数6】
が得られる。なお、a0からa2,b0からb2は係数である。
【0029】
動揺計3は、角速度計3aからの角速度にローパスフィルタおよびハイパスフィルタのデジタル処理を行って、ロールおよびピッチの傾斜角のデータを出力する。
【0030】
次に、ロールおよびピッチの傾斜角のデータから、動揺計3による方位角および地頂角の算出について説明する。以後、ロールおよびピッチの傾斜角をそれぞれロール角、ピッチ角と記す。図5に示すように、方位角φおよび地頂角θは、船に装備している送受波器5の法線ベクトル方向に対する基準軸(X,Y,Z)からの角度を示す。方位角φおよび地頂角θより、送受波器5から送受波されるビームの方向を知ることができる。
【0031】
方位角φおよび地頂角θへの変換は、図5に示すロール角βおよびピッチ角αのデータから、図3に示すマイクロコンピュータ3cの方位角、地頂角変換の処理プログラムを実行して行われる。なお、ロール角およびピッチ角から方位角および地頂角への変換については、説明を省略すが、ピッチ角または、およびロール角が0度のときには、以下に示す事項に対する注意が必要となる。
1)ピッチ角またはロール角が0度の時は、次のような場合分けが必要である。
▲1▼ピッチ角が0度の時、方位角はロール角の符号により+90度(ロール角:負符号)もしくは−90度(ロール角:正符号)になる。地頂角はロール角の絶対値になる。
▲2▼ロール角が0度の時、方位角はピッチ角の符号により0度(ピッチ角:正符号)もしくは180度(または−180度、ピッチ角:負符号)になる。地頂角はピッチ角の絶対値になる。
2)ピッチ角およびロール角とも0度のとき、地頂角は0度であるが、方位角は規定不可能となる。
【0032】
以上により、動揺計3により船のロール角およびピッチ角の検出が行われる。なお、動揺計3は、ロール角およびピッチ角から演算により方位角および地頂角を出力することも可能となっている。
【0033】
なお、ローパスフィルタ、ハイパスフィルタは、ソフトウエア処理によるデジタルフィルタであるが、ローパスフィルタ、ハイパスフィルタをアナログ回路で構成するようにしてもよい。しかしながら、アナログフィルタは、フィルタ特性が固定されるためフィルタ特性を容易に変更すことができない。デジタルフィルタは、カットオフ周波数などのフィルタ特性の変更を容易に行えるなどの利点を有している。
【0034】
以下に、動揺計3を使用した動揺補正付き単体エコー検出方法について説明する。単体エコーとは、受信波の受信レベルから抽出した単体魚で反射されたエコーをいう。単体エコーを検出することにより魚体長の推定を行うことができる。
【0035】
図6に単体エコーの検出、魚体長の推定までの手順をフローチャートを示す。なお、単体エコーの検出はスプリットビーム法を使用して行われる。図6に示すように、受信波の受信レベルからの単体エコーの検出は、最初に、動揺計3により船のピッチ角およびロール角の検出を行う(ステップS1)。ピッチ角およびロール角が予め設定した角度0度を含む設定値の範囲内であるかを動揺計3でチェックする(ステップS2)。ピッチ角およびロール角が設定値の範囲外のときには、ステップS1に移行する。ピッチ角およびロール角が設定値の範囲内のときに、送受波器5より音波の送信を行う(ステップS3)。
【0036】
図7(a)に、動揺計3からのピッチ角およびロール角の時系列変化を示す。図7(a)に示すように、動揺計3からのピッチ角およびロール角が設定値の範囲内のときに(図7(b)に示す時間T1からT5)、デジタル信号処理部10から送信増幅器7への発振指令(図7(b)に示す)が出力される。また、図8(a)に示すように、ピッチ角およびロール角から演算された地頂角が予め設定した角度0度を含む設定値の範囲内のときに(図8(b)に示す時間T10からT14)、送信増幅器7に発振指令(図8(b)に示す)を発するようにしてもよい。なお、送信の周期は、音響的に有効な周期以下にならないように制御されている。
【0037】
ピッチ角およびロール角、または地頂角が予め設定した角度0度を含む設定値の範囲内のときに音波の送信を行うことにより、音波の指向軸は常に一定したものとなる。
【0038】
ターゲット(魚体)からの音波の反射波を送受波器5で受信する(ステップS4)。ターゲットからの反射波(ビーム)の受信信号は、受信増幅器8で増幅、整流を行いレベル情報となる。また、送受波器5の前ビーム、後ビーム、左ビーム、右ビームの受信信号から受信位相検出器9で増幅、変調を行って位相情報を検出する。
【0039】
次に、受信増幅器8からの信号より単体エコーの検出を行う(ステップS5)。受信増幅器8で得られたレベル情報を測定レンジ分の時間に対し所定のサンプリング間隔でAD変換を行い、AD変換したデータを演算して、受信レベルERに変換する。受信レベルERの中から、単体魚から反射された単体エコーのみを抽出する。受信レベルERと単体魚から得られるTsの関係は、送受信係数をTR、距離をr、吸収減水係数をβ、円形送受波器5の指向性関数をD(θ)とすれば、単体エコーのソナー方程式より、
【0040】
【数7】
と表せる。式(4)の受信レベルERに距離減衰を考慮した受信レベルETとすれば、
【0041】
【数8】
と表せる。式(5)の左辺に示された値のデータ列より、単体エコーを検出する。図9に単体エコーの規準となる1/2レベル、1/2レベルパルス幅、ベースレベル、ベースレベルパルス幅を示す。また、図9の●印で示される部分は、単体エコー検出の処理で使用されるET 2/TRデータである。レベル、パルス幅の規準を満たし、単体エコーと判定されたパルスの極大値を求め、浅いデータに向かいn個分のデータの平均処理を行った値がD(θ)4・Tsとなる。
【0042】
次に、ターゲットの位置角の検出を行う(ステップS6)。受信位相検出器9からの位相情報を測定レンジ分の時間に対し所定のサンプリング間隔でAD変換を行い、電気角δx、δyに変換する。受信レベルERの極大値に相当する受信位相検出器9から得られたタイミングの電気角δx,δyに対し、浅いデータに向かってm個分のデータを検出する。この時、m個の範図内でδx、およびδyの最大値−最小値の値をそれぞれ△δx、Δδyとした場合に、これらが規準の変化量以下であるか判定する。条件を満たす場合、m個の範図内のδx、およびδyに対し、平均処理を行なう。この平均結果を式(6)を用い、位置角θを算出する。
【0043】
【数9】
ただし、dは波数、kは送受波器の位相ビーム用アレイの中心距離を示す。
【0044】
(6)で検出された位置角θにより、送受波器5の指向性関数D(θ)が求まり、(5)よりTsが算出される。TSとTsとの関係を示す式
TS=10log10Ts
からTS値を算出する(ステップS7)。
【0045】
次に、魚体長の推定を行う(ステップS8)。魚体長(L)の推定は、式(7)にTS値を代入することで求まる。
【0046】
TS=20log10(L)+TScm (7)
なお、式(7)中のTScmとした部分は、規準化TSと呼ばれ、ユーザが設定する値である。規準化TSを設定することにより、多魚種に対して魚体長の推定が可能となっている。
【0047】
以上述べたように、単体エコーの検出は、動揺計3により船の傾きをチェックして、船の傾きが設定値範囲内のときに音波を送波して行う。このため、音波の指向軸が一定して、単体エコーの検出精度が向上する。また、魚体長の推定は、単体エコーのレベルを使用して行うため、魚体長の推定値の精度も向上する。
【0048】
次に、魚の遊泳方向、遊泳軌跡の解析を行うエコートレース解析について述べる。エコートラッキングによりエコートレース解析を行うためには,まず単体エコーを識別する必要がある。エコーのトラッキングは、自船からみた魚の3次元位置をスプリッドビーム法より求め使用している。
【0049】
図10にエコートレース解析の手順をフローチャートで示す。図10に示すように、ステップS11からS15までは、図6に示すステップS1からS6と同一の内容であるため説明を省略する。図10に示すステップS16のエコートラッキングについて詳述する。
【0050】
図11に魚のエコートラッキングの原理を示す。図11に示すように,魚の位置ベクトルをxで表し,音波の送波順番を示す添字i(以後、ピングという)をつけて,xiは,iピングでの魚の位置ベクトルを表すものとする。なお、音波の送信は、動揺計3のピッチ角およびロール角の出力信号が予め設定した設定値の範囲内のときに、行われるようになっている。
【0051】
iピングで得られるni個の単体エコーとi+1ピングで得られるni+1個の単体エコーについて,iピングのj番目(1≦j≦ni)の単体エコーとi+1ピングでのk番目(1≦k≦ni+1)の単体エコーの距離を計算する。最大(ni)×(ni+1)個の組み合わせの中で,あらかじめ設定した第1の予測最大半径R0以下でかつ最短のものを同じ魚から帰ってきたエコーの候補とし,この2点から決まる直線上でi+2ピングでの推定位置ベクトルXpを求める。
【0052】
i+2ピングで得られたエコーのうち,第2の予測最大半径R内で推定位置にもっとも近いものを同じ魚から得られたエコーとして,魚に番号をつける。この番号は,iピングの魚にすでに番号があれば,その番号を付け,なければ,既存の番号+1とする。i+2ピング目で,第2の予測最大半径R内にエコーがなければ,i,i+1ピングで候補とされたエコーは捨てる。第2の予測最大半径Rは,iピングとi+1ピングの間の移動距離Lとパラメータ積αLとし,Lが大きければ,第2の予測最大半径も大きくなる。このような処理を繰り返すことによりトラツキングを行っていく。また,第1の予測最大半径R0は,パラメータとしてあらかじめ与える魚の最大遊泳速度と送信周期の積で与える。
【0053】
エコートレースは、単体エコーの検出を行ってトラッキングを行うため、船の動揺によりトラッキングの検出精度が低下することがあるが、本発明によるエコートラッキング方法では、動揺計3により船の傾きをチェックして、船の傾きが設定値範囲内のときに音波を送波するため、音波の指向軸が変動することなく、常に一定しているため、安定したトラッキングが可能となる。
【0054】
【発明の効果】
以上述べたように本発明によれば、送受波器の機構を変えることなく、船の動揺の影響を最小限に抑えた送受信動作を行うことにより、単体魚からの反射エコーをより高精度に得ることが可能とる。
【0055】
また、本発明は、船体に動揺計を設置することにより安定した送受信動作を行うことができるため、送受波器を船の動揺に追従した機械的なジンバル構造にする必要がなく、装置のコストを低く抑えることが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図1】単体エコー検出装置の構成を示す図である。
【図2】動揺計の構成を示す図である。
【図3】動揺計のマイクロコンピュータのメモリに記憶されたプログラムの構成を示す図である。
【図4】積分演算の伝達関数のブロック線図を示す図である。
【図5】ロール角、ピッチ角と方位角および地頂角との関係を示す図である。
【図6】単体エコーの検出および魚体長の推定までの手順を示すフローチャートである。
【図7】(a)は、動揺計からのピッチ角およびロール角の時系列変化を示し、(b)は、デジタル信号処理部から送信増幅器への発振指令のタイミングを示す図である。
【図8】(a)は、動揺計からの地頂角の時系列変化を示し、(b)は、デジタル信号処理部から送信増幅器への発振指令のタイミングを示す図である。
【図9】単体エコーの検出の判定規準を示す図である。
【図10】エコートレース解析の手順を示すフローチャートである。
【図11】単体エコーからのトラッキングの原理を説明した図である。
【図12】(a)は、ターゲットが送受波器の中心軸付近に存在する場合、(b)は中心軸より離れた位置に存在する場合のターゲットの位置と受信レベルとの関係を示す図である。
【符号の説明】
1 単体エコー検出装置
3 動揺計(動揺検出装置)
3a 角速度計(圧電型振動ジャイロ)
3b AD変換器
3c デジタルフィルタ(マイクロコンピュータ)
3d 出力部
5 送受波器
6 送信受信切替器
7 送信増幅器
8 受信増幅器
9 受信位相検出器
10 デジタル信号処理部
15 中央処理装置[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention relates to a single echo detection method with a motion correction, a single echo detection device, and an echo tracking method capable of obtaining a reflected echo from a single fish with high accuracy without being affected by the motion of a hull.
[0002]
[Prior art]
Fish finder is used for fisheries resource survey and grasping fish length before putting fishing gear into the sea. The weighing fish finder detects a single echo reflected from a single fish, estimates the fish length from the single echo, and outputs information such as the fish length to the outside.
[0003]
The weighing fish finder transmits a sound wave through the entire transducer and receives a reflected wave from the target. Since sound waves have directional characteristics, the target shown in FIG. 12A exists near the directional axis of the transmitter /
[0004]
As a method for detecting the position angle θ of a single fish (target) with respect to the directional axis of the
[0005]
However, when the ship shakes, the pointing axis of the
[0006]
It is important not only to estimate the fish length but also to know the behavior of the fish such as the swimming direction and the swimming speed of the fish in a natural state. In order to know the behavior of the fish, observation is performed with an underwater camera,
1) Since it is difficult to fix the camera, an error occurs in estimating the tilt angle of the target.
2) Lighting may be required in the sea, and observation in a natural state is not possible.
3) Observation is possible only at a short distance.
For this reason, a single echo is detected by the split beam method, and the behavior of the fish is observed by echo tracing.
[0007]
[Patent Document 1]
Japanese Patent No. 2620983 [Patent Document 2]
JP-A-6-201818
[Problems to be solved by the invention]
The split beam method and the dual beam method are effective for detecting the position of the fish with respect to the directional axis of the transducer. However, when the hull oscillates, the directional axis of the transducer fluctuates and the angle of the beam incident on the fish is not constant, so the detection directivity of a single fish is affected by the reflection directivity of the fish. Gets worse. Therefore, as described above, it is necessary to correct the beam in accordance with the sway of the hull.
[0009]
However, the method of stabilizing the directional axis by a transducer having a plurality of transducers arranged increases the size of the transducer and complicates the control of the transmitted and received waves. Also, the method in which the transducer is made to have a mechanical gimbal structure so that the transducer follows the sway of the ship requires a special mechanism in the device, and the configuration becomes complicated and large, and the device becomes large. There is a problem that it becomes expensive.
[0010]
Accordingly, the present invention provides a single echo detection method with a motion compensation, a single echo detection device, and an echo tracking method that transmit and receive at an optimal timing in consideration of the motion of a ship and can obtain a reflected echo of a single fish with higher accuracy. The purpose is to provide.
[0011]
[Means for Solving the Problems]
The method for detecting a single echo with the sway correction according to the present invention includes the steps of detecting the sway of the hull with a tilt angle, and determining whether the detected tilt angle is within a set value range including a preset 0 degree, Transmitting the sound wave to the sea floor when the inclination angle is within the range of the set value, receiving the sound wave, and determining whether the reception level of the sound wave is within a predetermined reference range; Detecting as a single echo when the level is within the standard range.
[0012]
In addition, the single echo detection device according to the present invention includes a hull motion detection unit that detects sway of the hull at an inclination angle, a sound wave transmission unit that transmits a sound wave to the sea floor, a sound wave reception unit that receives a sound wave, and a sound wave reception unit. A single echo detection unit for analyzing a signal from the unit and detecting a single echo, when the inclination angle from the hull sway detection unit is within a set value range including a preset 0 degree. , Wherein the sound wave transmitting means transmits a sound wave to the sea floor.
[0013]
Further, the hull sway detection means of the single echo detection device according to the present invention comprises a sway detection device which detects the sway of the hull by the inclination angle and outputs the detected inclination angle to the outside.
[0014]
Also, the echo tracking method according to the present invention includes a step of detecting the motion of the hull as a tilt angle, a step of determining whether the detected tilt angle is within a set value including a preset 0 degree, and a step of determining the tilt angle. Transmitting a sound wave to the sea floor when is within a set value range, receiving the sound wave, and determining whether or not the reception level of the sound wave is within a preset range every time the sound wave is received. A step of detecting as a single echo when the reception level is within a reference range; a step of calculating a target position vector from the single echo; a single echo obtained from the n-th transmission and an (n + 1) -th Calculating the distance between the single echoes obtained from the transmissions of the same, and determining the single echo located within the first predicted circle set in advance and having the shortest distance as the same target. And calculating the estimated position of the target on a straight line determined by the position vectors of the two single echoes determined to be the same target. The simple echo obtained from the (n + 3) th transmission is used to calculate the estimated position from the estimated position. Detecting a single echo closest to the estimated position within the second predicted circle set in advance as the same target.
[0015]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
Hereinafter, with reference to the drawings, embodiments of a single echo detection method, a single echo detection device, and an echo tracking method according to the present invention will be described. FIG. 1 is a diagram showing the configuration of a single echo detection device, FIG. 2 is a diagram showing the configuration of an oscillometer, FIG. 3 is a diagram showing the configuration of a program stored in a memory of a microcomputer of the oscillometer, and FIG. FIG. 5 is a diagram showing a block diagram of a transfer function of an integral operation, FIG. 5 is a diagram showing a relationship between a roll angle, a pitch angle and an azimuth and a zenith angle, and FIG. It is a flowchart which shows the procedure until an estimation.
[0016]
As shown in FIG. 1, a single
[0017]
The
[0018]
FIG. 3 shows a configuration of the digital filter processing of the microcomputer 3c. The low-pass filter and the high-pass filter shown in FIG. 3 are stored in a memory of the microcomputer 3c as a program, and the program is executed to perform the filter processing.
[0019]
The piezoelectric vibrating gyroscope of the
[0020]
Hereinafter, the low-pass filter and the high-pass filter incorporated in the
[0021]
Simple time integration of the discretized angular velocity h (t) gives:
H (t) = Δt · h (t) + H (t−1). However, due to the drift and nonlinearity of the piezoelectric vibrating gyroscope, the simple time integral diverges. For this reason, the low frequency component is removed by feeding back the result of integration a plurality of times and subtracting it from the input. FIG. 4 is a block diagram of a transfer function of the integral operation. As shown in FIG. 4A, the integration of the input signal is performed twice, and the signal is fed back after each integration. FIG. 4B is a block diagram showing the transfer function shown in FIG. 4A as one transfer function.
[0022]
In order to remove the low frequency component of the signal, the integration processing shown in FIG. 4 is performed by a high-pass filter. As the high-pass filter, a Butterworth filter is used. The basic expression (1) of the second-order Butterworth filter is given by
(Equation 1)
It is. In the case of a low-pass filter, s / ω is substituted for s in the basic equation (1), and in the case of a high-pass filter, ω / s is substituted for s. Note that ω indicates an angular frequency.
The transfer function of the second-order Butterworth high-pass filter is shown by (2).
[0024]
(Equation 2)
Since the vibrating gyroscope already has a differential element when the angular velocity is output, the final transfer function is (3).
[0025]
[Equation 3]
Next, sZ conversion is performed to create a second-order IIR digital filter.
[0026]
(Equation 4)
By substituting
(Equation 5)
From the recurrence formula,
(Equation 6)
Is obtained. Note that a0 to a2 and b0 to b2 are coefficients.
[0029]
The
[0030]
Next, calculation of the azimuth angle and the apex angle by the
[0031]
The conversion into the azimuth angle φ and the zenith angle θ is performed by executing the azimuth and zenith angle conversion processing program of the microcomputer 3c shown in FIG. 3 from the data of the roll angle β and the pitch angle α shown in FIG. Done. Note that the description of the conversion from the roll angle and the pitch angle to the azimuth angle and the apex angle is omitted, but when the pitch angle or the roll angle is 0 degrees, attention must be paid to the following matters.
1) When the pitch angle or the roll angle is 0 degrees, the following cases are required.
{Circle around (1)} When the pitch angle is 0 degree, the azimuth is +90 degrees (roll angle: negative sign) or -90 degrees (roll angle: positive sign) depending on the sign of the roll angle. The vertex angle is the absolute value of the roll angle.
{Circle around (2)} When the roll angle is 0 degree, the azimuth angle is 0 degree (pitch angle: positive sign) or 180 degrees (or -180 degrees, pitch angle: negative sign) depending on the sign of the pitch angle. The vertex angle is the absolute value of the pitch angle.
2) When both the pitch angle and the roll angle are 0 degrees, the apex angle is 0 degrees, but the azimuth angle cannot be specified.
[0032]
As described above, the roll angle and the pitch angle of the ship are detected by the
[0033]
Although the low-pass filter and the high-pass filter are digital filters formed by software processing, the low-pass filter and the high-pass filter may be configured by analog circuits. However, since the filter characteristics of an analog filter are fixed, the filter characteristics cannot be easily changed. The digital filter has an advantage that a filter characteristic such as a cutoff frequency can be easily changed.
[0034]
Hereinafter, a method of detecting a single echo with the motion compensation using the
[0035]
FIG. 6 is a flowchart showing the procedure from the detection of a single echo to the estimation of the fish length. The detection of a single echo is performed using the split beam method. As shown in FIG. 6, for detecting a single echo from the reception level of a reception wave, first, the pitch angle and the roll angle of the ship are detected by the motion meter 3 (step S1). It is checked by the
[0036]
FIG. 7A shows a time series change of the pitch angle and the roll angle from the
[0037]
By transmitting a sound wave when the pitch angle and the roll angle or the apex angle are within a set value including a preset angle of 0 degree, the directivity axis of the sound wave is always constant.
[0038]
The reflected wave of the sound wave from the target (fish body) is received by the transducer 5 (step S4). The reception signal of the reflected wave (beam) from the target is amplified and rectified by the
[0039]
Next, a single echo is detected from the signal from the receiving amplifier 8 (step S5). Level information obtained by the receiving
[0040]
(Equation 7)
Can be expressed as If the reception level E T in consideration of attenuation of the reception level E R of formula (4),
[0041]
(Equation 8)
Can be expressed as A single echo is detected from the data string of the value shown on the left side of Expression (5). FIG. 9 shows the 、 level, レ ベ ル level pulse width, base level, and base level pulse width that are the criteria for a single echo. Also, a portion indicated by the symbol ● in Fig. 9 is a E T 2 / T R data used in the processing of a single echo detection. D (θ) 4 · Ts is a value that satisfies the criteria of the level and the pulse width, finds the maximum value of the pulse determined to be a single echo, and averages n pieces of data toward shallow data.
[0042]
Next, the position angle of the target is detected (step S6). The phase information from the reception phase detector 9 is subjected to A / D conversion at a predetermined sampling interval for a time corresponding to the measurement range, and converted into electrical angles δx and δy. Reception level E reception phase detector 9 of a timing obtained from the electrical angle δx corresponding to the maximum value of R, .delta.y to detect the m pieces of data toward the shallow data. At this time, when the values of the maximum value-minimum value of δx and δy in the m models are △ δx and Δδy, respectively, it is determined whether or not these values are smaller than the reference variation. If the condition is satisfied, the averaging process is performed on δx and δy in the m models. Using this average result, the position angle θ is calculated using Expression (6).
[0043]
(Equation 9)
Here, d indicates the wave number, and k indicates the center distance of the phase beam array of the transducer.
[0044]
The directivity function D (θ) of the
Is calculated from (step S7).
[0045]
Next, the fish length is estimated (step S8). The estimation of the fish length (L) is obtained by substituting the TS value into equation (7).
[0046]
TS = 20 log 10 (L) + TScm (7)
Note that the part of TScm in the equation (7) is called a standardized TS and is a value set by the user. By setting the standardized TS, it is possible to estimate the fish length for multiple fish species.
[0047]
As described above, the detection of the single echo is performed by checking the inclination of the ship with the
[0048]
Next, an echo trace analysis for analyzing a swimming direction and a swimming locus of a fish will be described. In order to perform echo trace analysis by echo tracking, it is first necessary to identify a single echo. The echo tracking uses the three-dimensional position of the fish as seen from the own ship using the split beam method.
[0049]
FIG. 10 is a flowchart showing the procedure of the echo trace analysis. As shown in FIG. 10, steps S11 to S15 have the same contents as steps S1 to S6 shown in FIG. The echo tracking in step S16 shown in FIG. 10 will be described in detail.
[0050]
FIG. 11 shows the principle of fish echo tracking. As shown in FIG. 11, the position vector of the fish is represented by x, and a subscript i (hereinafter referred to as ping) indicating the transmission order of the sound waves is added, and xi represents the position vector of the fish at i-ping. The transmission of the sound wave is performed when the output signals of the pitch angle and the roll angle of the
[0051]
Of the ni single echoes obtained by the i-ping and the ni + 1 single echoes obtained by the i + 1 ping, the j-th (1 ≦ j ≦ ni) single echo of the i-ping and the k-th (1 ≦ k ≦) of the i + 1 ping The distance of the single echo of (ni + 1) is calculated. Among the maximum (ni) × (ni + 1) combinations, the shortest one that is less than or equal to the first predicted maximum radius R0 and that is the shortest is set as a candidate for an echo returned from the same fish, and on a straight line determined from these two points. To obtain an estimated position vector Xp at i + 2 ping.
[0052]
Among the echoes obtained by the i + 2 ping, those closest to the estimated position within the second predicted maximum radius R are numbered as echoes obtained from the same fish. This number is assigned to the i-ping fish if it already has a number, otherwise the existing
[0053]
In the echo trace, since tracking is performed by detecting a single echo, the accuracy of tracking detection may decrease due to the motion of the ship. However, in the echo tracking method according to the present invention, the tilt of the ship is checked by the
[0054]
【The invention's effect】
As described above, according to the present invention, the reflected echo from a single fish can be more accurately reflected by performing the transmitting / receiving operation while minimizing the effect of the motion of the ship without changing the mechanism of the transducer. It is possible to get.
[0055]
Further, according to the present invention, since a stable transmission / reception operation can be performed by installing an oscillating meter on the hull, there is no need to use a mechanical gimbal structure that follows the sway of the ship, thereby reducing the cost of the apparatus. Can be kept low.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a diagram showing a configuration of a single echo detection device.
FIG. 2 is a diagram showing a configuration of a wobble meter.
FIG. 3 is a diagram showing a configuration of a program stored in a memory of a microcomputer of the oscillometer.
FIG. 4 is a diagram showing a block diagram of a transfer function of an integral operation.
FIG. 5 is a diagram illustrating a relationship among a roll angle, a pitch angle, an azimuth angle, and a vertex angle.
FIG. 6 is a flowchart showing a procedure up to detection of a single echo and estimation of a fish body length.
FIG. 7A is a diagram illustrating a time series change of a pitch angle and a roll angle from an oscillating meter, and FIG. 7B is a diagram illustrating a timing of an oscillation command from a digital signal processing unit to a transmission amplifier.
FIG. 8A is a diagram showing a time series change of a zenith angle from an oscillometer, and FIG. 8B is a diagram showing a timing of an oscillation command from a digital signal processing unit to a transmission amplifier.
FIG. 9 is a diagram showing criteria for detecting a single echo.
FIG. 10 is a flowchart illustrating a procedure of an echo trace analysis.
FIG. 11 is a diagram illustrating the principle of tracking from a single echo.
12A is a diagram illustrating a relationship between a target position and a reception level when the target is located near the central axis of the transducer, and FIG. It is.
[Explanation of symbols]
1
3a Angular velocity meter (piezoelectric vibration gyro)
3b AD converter 3c Digital filter (microcomputer)
Claims (4)
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JP2003096354A JP2004301737A (en) | 2003-03-31 | 2003-03-31 | Simple substance echo detection method with hull vibration compensation, simple substance echo sensing device, and echo-tracking method |
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- 2003-03-31 JP JP2003096354A patent/JP2004301737A/en active Pending
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