JP2005300222A - 計量用魚群探知機および計量用魚群探知方法 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】遅延回路6は、送受波器2から送信される送信ビームの指向性主軸方向が探知方向と同じになるように、動揺検出部8で検出されたローリング角およびピッチング角に基づいて各振動子3から送信される送信信号の送信開始タイミングまたは位相を調整する。位相補正回路11は、受信ビームの指向性主軸方向が探知方向と同じになるように、ローリング角およびピッチング角に基づいて各振動子3で受信される受信信号の位相を調整する。到来角度算出部18は、前・後・左右の4つの受信ビーム信号の位相差から探知方向に対するエコー信号の到来角度を算出する。指向特性補正部20は、到来角度算出部18で算出された到来角度などを使用して反射強度TSを補正する。
【選択図】 図1
Description
ここで、上記の送信信号調整手段、受信信号調整手段、到来角度を算出する手段および反射強度を補正する手段には、それぞれ実施形態の遅延回路、位相補正回路、到来角度算出部および指向特性補正部が相当する。また、遅延回路および位相補正回路の機能の一部、到来角度算出部および指向特性補正部20の機能の一部または全てを実施形態の制御部に行わせてもよい。
このようにすることで、船舶の動揺により送受波器の送受波面の法線方向と探知方向とのなす角が変動し、送信ビームおよび受信ビームの指向特性および信号レベルが変化する場合であっても、上記の角に基づいて反射強度が補正されるので、より正確な反射強度が求められる。
このようにすることで、船舶の動揺により送受波器の送受波面の法線方向と探知方向とのなす角(すなわち、探知方向に対する送受波器の送受波面の開口面積)が変動する場合であっても、送信ビームおよび受信ビームの指向特性および信号レベルは一定の値に保持されるので、より正確な反射強度が求められる。
まず、図2を参照して送受波器2の構成について説明する。図2(a)は送受波器2の平面図であり、図2(b)は図2(a)のA−A線に沿う断面図である。送受波器2の平面状の送受波面2Aには多数の振動子3(送受波トランスデューサ)が設けられており、図中の円内の1〜52の番号は振動子3の番号である。振動子3の番号を特定しない場合には、以下の説明では番号を「i」で表す。
動揺検出部8は、例えば、複数のGPS(Global Positioning System)アンテナ、GPSアンテナにそれぞれ接続されたGPS姿勢検出計およびGPSヒーブ計から構成される。GPS姿勢検出計は船舶のローリング角およびピッチング角を一定の周期で(例えば、20msecごとに)出力し、GPSヒーブ計はGPSアンテナのヒービング量(鉛直方向における移動量)を同様の周期で出力する。この出力されたローリング角およびピッチング角は、遅延回路6および位相補正回路11に送られる。このようにGPSアンテナなどを用いることで、ローリング角、ピッチング角およびヒービング量の検出精度と信頼性を向上させつつ動揺検出部8の製造コストを下げることができる。尚、動揺検出部8は、上述の探知機専用に設けられたものではなく、船舶の航行にも使用される。
{BX,BY,BZ}=
{cos(φT)・cos(φB),cos(φT)・sin(φB), sin(φT)} (1)
通常は、ビームベクトルは鉛直下方を向くベクトル(0,0,1)であるが、制御部1がビームベクトルのベアリング角φBおよびチルト角φTを変更することにより、任意の方向の探知を行うことが可能となる。また、制御部1は、既知データとして予めメモリーに記憶されている各振動子3の位置情報r(i)、α(i)も遅延回路6および位相補正回路11に設定する。
調整量={EX(i)・BX+EY(i)・BY+EZ(i)・BZ}/音速 (3)
遅延回路6は、式(3)を計算し、算出された調整量に従ってチャンネルごとの送信開始タイミングを調整する。実際には、進ませる時間の最も大きいチャンネルの調整量を0にして、他のチャンネルの送信開始タイミングを遅らせることになる。このようにすることで、送受波器2から放射される送信ビームの指向性主軸方向は、船舶が動揺していてもビームベクトル方向に一致する。尚、上記の送信開始タイミングの調整によって、各チャンネルの送信信号の位相はビームベクトル方向においては同一となる。
この各チャンネルの受信信号の位相調整量θC(i)は、原点Oを基準にして、送信の場合と同じ考え方により下記の式(4)で表される。
θC(i)={EX(i)・BX+EY(i)・BY+EZ(i)・BZ}・2π/λ (4)
ここで、λは送信信号の波長である。θC(i)が正のときは位相を遅らせ、負のときは位相を進める。尚、ローリング角φRおよびピッチング角φPが所定値以内(本探知機の計測可能範囲内)であれば、式(4)(式(2)参照)の絶対値がπを超えないように、送信信号の周波数(波長)等が決められている。
また、位相調整量θC(i)を計算する際には、動揺検出部8から送られてくる最新のローリング角φRおよびピッチング角φPが使用される。このようにするのは、水中での音速が1500m/secのとき、超音波を送信してから遠距離(例えば、750m先)にいる魚からのエコー信号が検出されるまで長時間(1秒)かかるので、最新のローリング角φRおよびピッチング角φPを使用しないと計測誤差が大きくなるからである。
LV=√(IA 2+QA 2) (5)
αBF=tan−1(QF/IF)−tan−1(QB/IB) (6)
αRL=tan−1(QL/IL)−tan−1(QR/IR) (7)
式(6)、(7)中の添字F、B、RおよびLは、それぞれ前ビームIQ信号、後ビームIQ信号、右ビームIQ信号および左ビームIQ信号であることを示す。
Lsin(φT−φP−θXZ)・tanθXZ=λ・αBF/2π (8)
Lsin(φT−φR−θYZ)・tanθYZ=λ・αRL/2π (9)
このようにして、到来角度算出部18は、位相補正回路11で位相調整された受信信号から形成された受信ビーム信号間の位相差(αBF、αRL)より到来角度(θXZ、θYZ)を求める。
図の「閾値」以下のものは、魚体長計測の対象とならない小さな魚からのエコー信号またはノイズであり、「閾値」を超えるエコー信号レベルLVが魚体長算出の対象となる。「距離幅」は、エコー信号レベルLVが「閾値」を超える部分であって、ピーク値PKよりも「レベル変動幅」(例えば、6dB)だけ小さい部分の幅である。
最小サンプリング点数 < 距離幅 < 最大サンプリング点数 (10)
N波の正弦波を送信し、1周期に1回ずつIQサンプリングする場合、例えば、最小サンプリング点数は2N−4であり、最大サンプリング点数は2N+4である。尚、上述の「レベル変動幅」および最小・最大サンプリング点数は、送信信号の周波数、バンドパスフィルタ(不図示)の立ち上がり・立ち下がり特性等を考慮して決められる。
TS=20log10(LV)−G−Me−SL+TVG+B+Ct+Cr (11)
ここで、右辺の第2項以降の項(G,Me等)も対数値である。
B=g3P3+g2P2+g1P (12)
P=√(θXZ 2+θYZ 2) (13)
ここで、g3〜g1は送受波器2の指向特性より予め求められた係数である。
Ct=h2S2+h1S (14)
S=√{(π/2−φT+φP)2+(π/2−φT+φR)2} (15)
ここで、式(14)および係数h2,h1は実験的に予め求められたものである。尚、ビームベクトル方向が鉛直下方である(φT=π/2)場合は、式(15)は、√(φP 2+φR 2)となる。
TS=20logFL+10logK (16)
ここで、Kは送信信号の周波数および魚種により決まる係数である。また、魚体長の算出ではなく魚群量を求める場合には、上述の単体分離の処理を行わずに、図6に示されるエコー信号レベルLVから魚群量を求め、エコー信号レベルLVを式(11)で補正することによってエコー信号の到来角度および船舶の動揺に依存しない魚群の反射強度TSを算出する。また、超音波を送信してからエコー信号を受信するまでの時間、ビームベクトルの方向、および到来角度から、単体魚または魚群の位置が算出される。そして、これらの単体魚の位置および魚体長、または魚群の位置および量のデータはヒービング補正処理部21に送られる。
さらに、同様にしてエコー信号を受信するときのビームベクトル方向の送受波器2の開口面積(第2開口面積)が一定になるようにエコー信号を受信する振動子3の数(別の表現をすると、受信ビームを形成するチャンネルの数)を増減させる。この場合、第1開口面積と第2開口面積とを等しくするのが望ましい。
このようにすることで、ビームベクトル方向に対する開口面積が一定となり、船舶が動揺していても送信ビームおよび受信ビームの広がりおよび信号レベルが一定となるので、上述の開口面積送信指向性補正項Ctおよび開口面積受信指向性補正項Crによる補正と同様の作用効果が得られる。上記の演算および制御は制御部1によって行われる。
さらに、上記実施形態では、単体分離部19で魚体の単体分離処理を行い、指向特性補正部20で反射強度TSを算出するようにしたが、ビーム形成部12から出力されるデータを制御部1のメモリーに記憶させ、記憶されたデータに対して制御部1のCPUで単体分離処理および反射強度TSの演算を行わせるようにしてもよい。また、遅延回路6および位相補正回路11で行われる演算の一部を制御部1のCPUに行わせるようにしてもよい。
2 送受波器
2A 送受波面
3 振動子
6 遅延回路
8 動揺検出部
11 位相補正回路
12 ビーム形成部
18 到来角度算出部
19 単体分離部
20 指向特性補正部
Claims (8)
- 平面上に互いに近接して配置された複数の振動子からなる3つ以上のグループであって、全てのグループの重心が一直線上に存在しないグループで形成された送受波器から超音波を送信し、計量対象物からのエコー信号の反射強度をエコー信号の到来角度で補正するスプリットビーム方式の計量用魚群探知機であって、
超音波を送信するときのローリング角およびピッチング角ならびに各振動子の送受波器上の位置に基づいて、各振動子から送信される超音波の送信開始タイミングまたは位相を調整することにより送信ビームの指向性主軸方向を予め設定された探知方向にする送信信号調整手段と、
エコー信号を受信するときのローリング角およびピッチング角ならびに各振動子の送受波器上の位置に基づいて、各振動子が受信する受信信号の位相を調整することにより受信ビームの指向性主軸方向を前記探知方向にする受信信号調整手段と、
前記位相調整された1または2以上の前記グループの受信信号から形成される受信ビーム信号間の位相差から前記探知方向に対するエコー信号の到来角度を算出する手段と、
前記算出された到来角度に基づいてエコー信号の反射強度を補正する手段と、を備えることを特徴とする計量用魚群探知機。 - 請求項1に記載の計量用魚群探知機において、
超音波を送信するときのローリング角およびピッチング角を用いて前記送受波器の送受波面の法線方向と前記探知方向とのなす第1角度を算出し、エコー信号を受信するときのローリング角およびピッチング角を用いて前記送受波器の送受波面の法線方向と前記探知方向とのなす第2角度を算出し、前記第1角度および第2角度に基づいて前記反射強度を補正する手段を備えることを特徴とする計量用魚群探知機。 - 請求項1に記載の計量用魚群探知機において、
超音波を送信するときのローリング角およびピッチング角を用いて前記探知方向に対する前記送受波器の送受波面の第1開口面積を算出し、前記第1開口面積が一定値となるように超音波を送信する振動子の数を増減させ、エコー信号を受信するときのローリング角およびピッチング角を用いて前記探知方向に対する前記送受波器の送受波面の第2開口面積を算出し、前記第2開口面積が一定値となるようにエコー信号を受信する振動子の数を増減させる手段を備えることを特徴とする計量用魚群探知機。 - 請求項1ないし請求項3のいずれかに記載の計量用魚群探知機において、
前記送信開始タイミングまたは位相の調整量および前記受信信号の位相の調整量は、前記探知方向のベクトルと、前記ローリング角およびピッチング角で位置補正された各振動子の位置ベクトルとの内積から算出されることを特徴とする計量用魚群探知機。 - 請求項1ないし請求項4のいずれかに記載の計量用魚群探知機において、
前記探知された計量対象物の位置を表示する表示部と、前記送受波器の鉛直方向における基準位置からの変位量を得る手段とを備え、前記表示部に表示される前記計量対象物の鉛直方向における位置は前記得られた変位量に基づいて補正されることを特徴とする計量用魚群探知機。 - 請求項1ないし請求項4のいずれかに記載の計量用魚群探知機において、
前記探知方向は鉛直下方または鉛直下方に対して所定の角度をなす方向であり、前記探知方向を変更する手段を備えることを特徴とする計量用魚群探知機。 - 請求項6に記載の計量用魚群探知機において、
前記探知された計量対象物の位置を表示する表示部と、前記送受波器の鉛直方向における基準位置からの変位量を得る手段とを備え、前記表示部に表示される前記計量対象物の鉛直方向における位置は前記得られた変位量および前記所定の角度に基づいて補正されることを特徴とする計量用魚群探知機。 - 平面上に互いに近接して配置された複数の振動子からなる3つ以上のグループであって、全てのグループの重心が一直線上に存在しないグループで形成された送受波器から超音波を送信し、計量対象物からのエコー信号の反射強度をエコー信号の到来角度で補正するスプリットビーム方式の計量用魚群探知方法であって、
超音波を送信するときのローリング角およびピッチング角ならびに各振動子の送受波器上の位置に基づいて、各振動子から送信される超音波の送信開始タイミングまたは位相を調整することにより送信ビームの指向性主軸方向を予め設定された探知方向にし、
エコー信号を受信するときのローリング角およびピッチング角ならびに各振動子の送受波器上の位置に基づいて、各振動子が受信する受信信号の位相を調整することにより受信ビームの指向性主軸方向を前記探知方向にし、
前記位相調整された1または2以上の前記グループの受信信号から形成される受信ビーム信号間の位相差から前記探知方向に対するエコー信号の到来角度を算出し、
前記算出された到来角度に基づいてエコー信号の反射強度を補正することを特徴とする計量用魚群探知方法。
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