JP2007178125A - 底質検出装置および底質検出方法 - Google Patents

Abstract

【課題】海底の底質のハードネスの影響を受けずにラフネスを検出することのできる底質検出装置および底質検出方法を提供する。
【解決手段】送受波器で受信される海底エコー４３は、ピーク４３ａを含む先頭部４３ｂと、それに続く尾引き部４３ｃとからなる。Ｔ１〜Ｔ２の範囲の尾引き部４３ｃのＡ／Ｄ変換された受信信号Ｘ（ｉ）がＸ（ｉ）の最大値で正規化され、さらに正規化されたＸ（ｉ）の平均値が算出される。そして、この平均値が底質の凸凹の度合いを示すラフネスとされる。上記のＴ１、Ｔ２は、ピーク４３ａの受信時間Ｔ０、第１サイドローブの開始角度、および終了角度から算出される時間である。
【選択図】 図４

Description

本発明は、海底の底質状態を検出する底質検出装置および底質検出方法に関する。

従来から、超音波を利用して探知した魚群情報を表示部に表示するとともに、海底の底質情報を表示する機能を備えた魚群探知機が知られている。この底質情報を利用して、エビやカニの生息領域が判断され、あるいは魚網が海底の岩に引っ掛かって破損するのが防止される。特許文献１では、海底の底質が岩や石のように硬い場合は、魚群探知機の送受波器から発射された超音波パルスが海底で反射した海底エコーの幅が長くなり、砂や泥のように軟らかい場合は、海底エコーの幅が短くなるという特性を利用して底質が判断される。特許文献２では、海底が岩などで凸凹（でこぼこ）している場合は、超音波パルスが海底で乱反射して海底エコーの幅が長くなり、海底が泥などで平坦な場合は、乱反射の量が少ないため海底エコーの幅が短くなるという特性を利用して底質が判断される。一方、水深が深くなるにしたがって、海底エコーの幅が大きくなる。そこで、特許文献１、２では、水深の影響を補正するために、海底エコーの幅（具体的には、海底エコーの信号レベルが所定の閾値を越える部分の幅）を水深で正規化している（具体的には、海底エコーの幅を、超音波パルスが発射されてから海底エコーが到来するまでの時間で除算する）。

特許文献３には、音響測深機を用いて海底の底質のラフネス（凸凹の度合い）とハードネス（硬さの度合い）を判定することが示されている。図８は音響測深器の受信信号を示す。８１は超音波の送信パルスを直接受信した信号、８２は海底１次エコー、８２ａは海底１次エコーの先頭部、８２ｂは海底１次エコーの尾引き部、８３は海底２次エコーである。この文献には、尾引き部８２ｂの積分値（Ｘデータ）がラフネスの指標であること、海底２次エコー８３の全範囲の積分値（Ｙデータ）がハードネスの指標であること、およびＸ−Ｙデータの値から海底の底質（岩や砂礫、砂、泥など）が判定可能であることが記されている。

ところで、海底の底質を判断する装置ではないが、計量用魚群探知装置において、送受波器の複数の振動子の送受信信号の位相を船体の動揺（ローリングやピッチング）に応じて調整することにより、船体が動揺していても送受信ビームを常に送受波器の直下方向に保つようにすることが提案されている（例えば、特許文献４）。

特許第３０８８５５７号公報（段落０００１〜００１４） 特許第３４５０６６１号公報（段落０００１〜００２４） 欧州特許第０５０１７４３号明細書（第１コラム第１行〜第２コラム第４２行、第４コラム第３５行〜同コラム第４７行、第７コラム第２７行〜同コラム第４９行、Ｆｉｇ．９のＸ、Ｙ軸の説明） 特開２００５−３００２２２号公報（要約）

特許文献１、２に示されるものにおいては、ラフネスとハードネスとが切り分けて認識されていないが、ここではラフネスが判断されているものと仮定する。しかしながら、海底エコーの信号レベルがハードネスによって変動することが考慮されていないため、例えば、海底の底質が岩のように硬い場合、海底面が平坦であっても上記の閾値を超える海底エコーの幅が大きくなって、ラフネスが大きいと判断されることがある。つまり、求められたラフネスが、海底面のハードネスの影響を受けて実際のラフネスとは異なる値になってしまうという問題がある。また、上記の閾値がラフネスの判断に大きな影響を与えるが、実際に魚群探知機で底質が判断されるときに、最適な閾値を決めることが容易ではないという問題もある。

特許文献３に示されるものにおいては、海底の底質を判定するために海底２次エコー８３を利用する必要がある。海底２次エコー８３は、海底１次エコー８２が海面や船底で反射した後に再び海底で反射したものであり、底質を示す情報としての精度が低く、一般的にはＳ／Ｎ比も良くないので、底質が誤判定されるおそれがある。また、底質が軟らかくて十分な信号レベルの海底２次エコー８３が得られない場合には、底質を判定できないことになる。さらに、上記のラフネスの指標は、海底１次エコー８２の尾引き部８２ｂを単に積分しただけの値である。このため、海底面のラフネスが同じでも、海底面が硬い場合には、尾引き部８２ｂの信号レベルが大きくなり、その積分値（ラフネスの指標）も大きくなる。海底面が軟らかい場合には、尾引き部８２ｂの信号レベルが小さくなり、その積分値も小さくなる。つまり、ラフネスの指標が、海底面のハードネスの影響を受けて実際のラフネスとは異なる値になってしまうという問題がある。

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、海底の底質のハードネスの影響を受けずにラフネスを検出することのできる底質検出装置および底質検出方法を提供することにある。

第１の発明では、送受波器から海底へ向けて超音波パルスを発射し、送受波器で受信される海底エコーの受信信号に基づいて海底の底質を検出する底質検出装置において、海底エコーの尾引き部の所定範囲内の受信信号を当該所定範囲内の受信信号の代表値を用いて正規化し、正規化された値に基づいて海底面のラフネスを算出するラフネス算出手段を備える。
ここで、尾引き部は海底エコーのピークを含む先頭部に続く部分であり、尾引き部には、送受波器の直下で反射した海底エコー、すなわち送受波器のメインローブの主軸方向から到来する海底エコーは含まれない。また、底質検出装置とは、底質を検出する機能を備えた装置であれば、魚群探知機や測深機、水中探知装置などをも含む概念である。

このようにすることで、送受波器の直下で反射した海底エコーの影響を受けずに、底質のラフネス（凸凹の度合い）の情報を示す尾引き部の受信信号からラフネスを検出（算出）することができる。しかも、ラフネスの算出対象となる尾引き部の受信信号が上記代表値（例えば、実施形態に示す受信信号の最大値）を用いて正規化されるので、底質のハードネスの影響を受けることなく、正しいラフネスを算出することができる。すなわち、実際のラフネスが同じであっても、底質が硬いときは算出されるラフネスが大きくなり、軟らかいときは算出されるラフネスが小さくなるという従来の問題を解決することができる。

第２の発明では、送受波器から海底へ向けて超音波パルスを発射し、送受波器で受信される海底エコーの受信信号に基づいて海底の底質を検出する底質検出装置において、海底エコーの尾引き部の所定範囲内の受信信号を当該所定範囲内の受信信号の代表値を用いて正規化し、正規化された値の平均値を求めることにより海底面のラフネスを算出するラフネス算出手段を備える。

このようにすることで、第１の発明と同様の作用効果が得られる。さらに、平均値を求めることによりラフネスが算出されるので、例えば、水深の相違によってラフネスの算出対象範囲である所定範囲が増減するような場合であっても、水深の影響を受けることなく、ラフネスを算出することができる。

第１または第２の発明においては、代表値が上記所定範囲内の受信信号の最大値である。このようにすることで、ラフネスの算出対象外の受信信号の影響を受けずに、誤差の少ない正規化処理を行うことができる。例えば、上記所定範囲内の受信信号の最小値によって正規化が行われると、Ｓ／Ｎ比が良くない場合などには、ラフネスの算出精度が低下することがある。また、海底エコーのピーク位置の受信信号によって正規化が行われると、算出されるラフネスが底質のハードネスの影響を受けることがある。

また、第１または第２の発明においては、上記所定範囲が送受波器の指向特性に基づいて規定される。ここで、送受波器の指向特性に基づいて規定するとは、実施形態に示すように、例えば、第１サイドローブの開始角度や終了角度を含む式（１）、（２）で上記所定範囲を規定することである。このようにすることで、水深の深浅に関係なく、常に所定の方向から到来する海底エコーからラフネスが算出され、水深の違いによるラフネスの変動を抑えることができる。

さらに、第１または第２の発明においては、上記所定範囲が送受波器のサイドローブ領域の角度に基づいて規定される。ここで、送受波器のサイドローブ領域の角度に基づいて規定するとは、実施形態に示すように、例えば、第１サイドローブの開始角度や終了角度を含む式（１）、（２）で上記所定範囲を規定することである。このようにすることで、メインローブの中央部の方向から到来する海底エコーが含まれない上記所定範囲を容易に規定することができる。

さらに、第１または第２の発明においては、ラフネス算出手段が算出したラフネスを、当該ラフネス算出時の水深、基準水深、上記所定範囲の受信信号に相当する海底エコーの到来角度、および超音波パルスのパルス幅に基づいて補正するラフネス補正手段をさらに備える。このようにすることで、補正後のラフネスの値が、ラフネス算出時の水深が基準水深であるとしたときに、ラフネス算出手段が算出するラフネスの近似値となる。これにより、底質の実際のラフネスが同じであれば、水深の深浅に関係なく、略同じラフネスが算出される。

第３の発明では、送受波器から海底へ向けて超音波パルスを発射し、送受波器で受信される海底エコーの受信信号に基づいて海底の底質を検出する底質検出方法において、海底エコーの尾引き部の所定範囲内の受信信号を当該所定範囲内の受信信号の代表値を用いて正規化し、正規化された値に基づいて海底面のラフネスを算出する。このようにすることで、第１の発明と同様の作用効果が得られる。

本発明によれば、ラフネスの算出対象となる受信信号が正規化されるので、底質のハードネスの影響を受けることなく、正しいラフネスを検出することができる。

以下、図面を参照して本発明に係る底質検出装置について説明する。図１は底質検出装置の構成を示すブロック図である。この底質検出装置１００は、魚群や海底面を探知する機能、および海底の底質、具体的には底質のラフネス（凸凹（でこぼこ）の度合い）とハードネス（硬さの度合い）とを検出する機能を備え、ラフネスの検出方法に特徴を有する。また、底質検出装置１００には、底質を検出する機能を備えた装置であれば、魚群探知機や測深機、水中探知装置などが含まれる。

図において、１は超音波を送受信する送受波器、２は送受波器１を駆動する送信信号と送受波器１で受信される受信信号とを切り換える送受信切換回路、３は正弦波の送信信号を出力する送信部、４は送受波器１で受信された受信信号を増幅するアンプやノイズを除去するバンドパスフィルタなどから構成される受信部、５は受信部の出力信号をデジタル信号に変換するＡ／Ｄ変換器である。６はＡ／Ｄ変換器５から出力されるデジタル信号（受信データ）を記憶するバッファメモリ、７は表示データを記憶する表示メモリ、８は魚群情報などが表示される表示部、１０は表示メモリ７に対する表示データの読み書きや、表示部８への表示データの送出を行う表示コントローラである。９は底質検出装置１００の各部の制御や、バッファメモリ６に記憶された受信データに対する演算処理を行う演算制御部である。演算制御部９はＣＰＵやプログラムメモリ、データメモリなどから構成され、ＣＰＵがプログラムメモリに格納されたプログラムを実行することにより、上記の制御や演算処理が行われる。この演算制御部９が本発明のラフネス算出手段およびラフネス補正手段に相当する。

上記の送受波器１は１つまたは複数の振動子を備えており、この振動子によって超音波の送受信が行われる。図２は送受波器１（振動子）の指向特性を示す。図において、θ１（単位はラジアン）は第１サイドローブ２２の開始角度（メインローブ２１の終了角度）、θ２は第１サイドローブ２２の終了角度（第２サイドローブ２３の開始角度）である。このθ１、θ２の値は振動子に固有であり、後述のラフネスの算出に備えて、演算制御部９に予め設定されている。送受波器１から直下の海底に向けて放射された超音波のメインローブ２１の中央部は、図３に示すように、０度の入射角で海底面に入射する。そして、海底面で正反射したエコーが０度の到来角（送受波器１の送受波面の法線と海底エコーの到来方向とのなす角）で送受波器１に入射する。上記超音波の第１サイドローブ２２領域はθ１〜θ２の入射角で海底面に入射する。そして、海底面の凸凹の度合いに応じて、海底面で乱反射したエコーの一部がθ１〜θ２の到来角で送受波器１に入射する一方、海底面で正反射したエコーは送受波器１には入射しない。

次に、底質検出装置１００の動作について説明する。探知サイクルごとに複数周期の正弦波信号からなる送信信号が送信部３から出力され、この送信信号で送受波器１（振動子）が駆動されると、図４に示すように、超音波の送信パルス４１が直下の海底に向けて発射される。そして、送信パルス４１が魚群で反射した魚群エコー４２や海底で反射した海底エコー４３が送受波器１で受信される。この受信信号は、受信部４で増幅され、さらにＡ／Ｄ変換器５で所定の周期でサンプリングされてデジタル信号に変換される。デジタル信号（受信データ）は順次バッファメモリ６に格納され、１回の探知サイクルで得られる受信データがバッファメモリ６に記憶される。なお、信号レベルの大きい海底エコー４３が受信部４で増幅されても、出力信号が飽和しないように受信部４が構成されている。

バッファメモリ６に格納された受信データに対して、演算制御部９によってＴＶＧ（Time Variable Gain）処理や表示データへの変換処理が行われ、その後、表示データが表示コントローラ１０を介して表示メモリ７に書き込まれる。表示メモリ７には直近のｎ回の探知サイクルの表示データが記憶される。表示コントローラ１０は、表示データを表示メモリ７から読み出して表示部８に送る。このようにして、魚群エコー４２および海底エコー４３に応じた魚群および海底の画像が従来と同様にして表示部８に表示される。

次に、本発明に係る海底の底質のラフネスの検出について説明する。図４に示す海底エコー４３は、送受波器１から発射された送信パルス４１が海底で反射した後に送受波器１で直ちに受信される海底１次エコーであり、ピーク４３ａを含む先頭部４３ｂと、先頭部４３ｂに続く尾引き部４３ｃとからなる。Ｔ０は、送信パルス４１が発射されてから海底エコー４３のピーク４３ａが受信されるまでの時間である。海底エコー４３のピーク値Ｖｐは、送受波器１の直下の海底面の反射率に比例し、当該海底面が硬ければ大きくなり、軟らかければ小さくなることから、ピーク値Ｖｐが海底の硬さの度合いを示すハードネスの値として採用される。

次に、尾引き部４３ｃについて説明する。海底面が凸凹している場合、海底で乱反射した海底エコーのうち、送受波器１の直下を中心とする比較的広い範囲で乱反射した海底エコー４３が送受波器１で受信されるため、尾引き部４３ｃが長くなる。別の表現をすれば、尾引き部４３ｃの傾斜が緩やかになる。海底が平坦である場合、海底で乱反射した海底エコーのうち、比較的狭い範囲で乱反射した海底エコー４３だけが送受波器１で受信されるため、尾引き部４３ｃが短くなる（尾引き部分４３ｃの傾斜が急峻になる）。また、尾引き部４３ｃの信号レベルは、海底面が硬いときは大きくなり、軟らかいときは小さくなる。なお、海底の底質や形状によっては、先頭部４３ｂと尾引き部４３ｃとの境界が明確ではないこともあるが、メインローブ２１の主軸方向を中心とする所定範囲内の方向から到来するエコー信号を含まないのが尾引き部４３ｃである。

ところで、バッファメモリ６に記憶されている各受信データと、その受信時間とは対応しているので、値が最大の受信データを探し出すことによって、上記の時間Ｔ０が得られる。また、図４に示すＴ１は下記の式（１）で定義される時間であり、第１サイドローブ２２の開始角度であるθ１の方向から到来する海底エコー４３が送受波器１で受信される時間におおよそ相当する。Ｔ２は下記の式（２）で定義される時間であり、第１サイドローブ２２の終了角度であるθ２の方向から到来する海底エコー４３が送受波器１で受信される時間におおよそ相当する。
Ｔ１＝Ｔ０／ｃｏｓθ１ （１）
Ｔ２＝Ｔ０／ｃｏｓθ２ （２）

上記のＴ１、Ｔ２によって尾引き部４３ｃの所定範囲が規定され、この所定範囲内の受信データに基づいて、海底面の凸凹の度合いを示すラフネスが求められる。すなわち、ラフネスＲは、演算制御部９において下記の式（３）で算出される。
Ｒ＝［Σ｛ｘ（ｉ）−ｍａｘ｝］／Ｎ （ｉ＝１〜Ｎ） （３）
ここで、ｘ（ｉ）は期間Ｔ１〜Ｔ２に受信された、すなわち尾引き部４３ｃの所定範囲内のＮ個の受信データをｄＢ（デシベル）で表したものである。ｍａｘはｘ（ｉ）の最大値である。一般的には、最初のｘ（ｉ）（ｘ（１））が最大となり、最後のｘ（ｉ）（ｘ（Ｎ））が最小となるが、海底の状態によっては、ｘ（ｊ）（１＜ｊ＜Ｎ）が最大になることもある。なお、ラフネスＲはラフネスを表す相対的な値である。

上記のｘ（ｉ）およびｍａｘはｄＢ値であるので、減算｛ｘ（ｉ）−ｍａｘ｝は、除算｛（ｘ（ｉ）がｄＢ値にされる前の値（図４に示すＸ（ｉ））／（Ｘ（ｉ）の最大値）｝に相当する。このように、ｘ（ｉ）（Ｘ（ｉ））は、ｘ（ｉ）（Ｘ（ｉ））の最大値によって正規化されている。以上のことから、ラフネスＲは、尾引き部４３ｃの所定範囲内（期間Ｔ１〜Ｔ２）の受信データの最大値で正規化されたＮ個の受信データの平均値であると言える。ラフネスＲが、｛ｘ（ｉ）−ｍａｘ｝の合計値ではなく、平均値であるので、異なる機種の底質検出装置１００でθ１、θ２（図２参照）の異なる送受波器１が用いられている場合、上記のＮに機種差が出るが、平均値計算によってＮの機種差がキャンセルされる。また、水深が深くなればＮが増加し、浅くなればＮが減少するが、平均値計算によってＮの増減の影響がキャンセルされる。つまり、送受波器１の指向特性や水深の違いによるＮの増減の影響を受けることなく、ラフネスＲが計算される。

図５は、３つの尾引き部の期間Ｔ１〜Ｔ２での波形を示す。本発明では、期間Ｔ１〜Ｔ２で受信された尾引き部５１〜５３の受信信号が正規化されるので、尾引き部５１に係るラフネスＲの方が、尾引き部５２に係るラフネスＲよりも大きくなる。このことは、底質のラフネスが大きくなるほど、尾引き部の傾斜が緩やかになることとも合致する。また、同様の理由で、同じ傾斜の尾引き部５１と５３とに係るラフネスＲは等しくなる。つまり、上記の正規化によって底質のハードネスの影響が除去され、正しいラフネスＲが式（３）から算出される。なお、特許文献３では、海底１次エコー８２（図８参照）の尾引き部８２ｂの積分値がラフネスの指標とされるが、正規化は行われない。このため、尾引き部５１に係るラフネスの指標が、尾引き部５２に係るラフネスの指標に等しくなるとともに、尾引き部５３に係るラフネスの指標よりも小さくなる。つまり、底質のハードネスの影響で、正しいラフネスの指標が求められない。

上述のように、期間Ｔ１〜Ｔ２の受信データｘ（ｉ）をｘ（ｉ）の最大値で正規化しているが、最小値で正規化することも可能である。ただし、最小値のＳ／Ｎ比が最大値のＳ／Ｎ比よりも悪いなどの理由で、ラフネスＲの精度が低下することがある。なお、Ｔ１の僅か前に受信されるｘ（ｉ）の最大値よりも大きい受信データ、あるいはＴ２の僅か後に受信されるｘ（ｉ）の最小値よりも小さい受信データで正規化することも可能ではある。

また、ラフネスＲの計算対象となる範囲（Ｔ１〜Ｔ２）が、送受波器１の指向特性の角度（ここでは、第１サイドローブ２２の開始角度θ１と終了角度θ２）を用いて規定されている（式（１）、（２）参照）ので、水深の深浅に関係なく、常に所定の方向から到来する海底エコー４３からラフネスＲが算出され、水深の違いによるラフネスＲの変動を抑えることができる。さらに、上記の範囲（Ｔ１〜Ｔ２）が、θ１とθ２とを用いて規定されているので、メインローブ２１の中央部の方向（送受波器１の直下）から到来する、ラフネス情報を含まないエコー信号がラフネスＲの計算対象から確実に除外される。しかも、θ１とθ２とは、送受波器１の標準的な指向特性データであり、第１サイドローブ２２領域では送受波器１の信号レベルの低下も比較的少ないので、ラフネスＲの計算対象範囲を規定する値として適する。

ところで、上記のラフネスＲを計算する場合、送受波器１の直下の海底で正反射した信号ではなく、尾引き部４３ｃの所定範囲の信号、すなわち直下海底から外れた位置で乱反射した信号が用いられる。このため、海底エコー４３の到来角が大きくなる（海底エコーの乱反射位置が直下海底から離れる）にしたがって、送受波器１が同時に受信する海底エコーのビーム幅（以下、最大ビーム幅という）が小さくなる。図６は、上記の到来角θ、水深ｒ、最大ビーム幅ｄの関係を示す。図に示すＡ、Ｃは送受波器１から等距離の位置にある。送信パルス４１のパルス幅をτ［ｓｅｃ］、海中での音速をｃ［ｍ／ｓｅｃ］とすると、海底の地点ＡおよびＢからの海底エコー４３が送受波器１で同時に受信されるためには、Ｂ−Ｃ間の距離がｃτ／２であるので、水深がｒ、到来角がθのときの最大ビーム幅ｄ（ｒ，θ）は下記の式（４）で表される。
ｄ（ｒ，θ）＝ｃｏｓ^−１｛ｒ／（ｒ／ｃｏｓθ＋ｃτ／２）｝−θ （４）
ここで、送信パルス幅τは既知の定数であるが、ｄ（ｒ，θ）はτの値によっても変化する。水深ｒはＴ０（図４参照）と音速ｃとから求められる。

また、図６から分かるように、水深ｒが深くなるにしたがって、最大ビーム幅ｄが小さくなり（ｄｄとなり）、領域Ｄで乱反射した海底エコーが送受波器１で同時に受信されなくなる。このため、尾引き部４３ｃの受信信号レベルが低下し、海底面のラフネスが同じであっても、式（３）で算出されるラフネスＲが小さくなる。そこで、最大ビーム幅ｄ、すなわち尾引き部４３ｃの受信信号レベルが到来角θの違いによっても増減することを考慮して、上記ラフネスＲを最大ビーム幅ｄの変動を補償する補正値で補正することにより、水深の影響を受けないラフネスを求めることが必要となる。

上記の水深の影響を受けないラフネスＲｍは、演算制御部９において下記の式（５）〜（７）から算出される。
ｓ（ｒ，θ）＝ｄ（ｒ，θ）／ｄ（ｒ，０） （５）
ｔ（ｒ）＝Σｓ（ｒ，θ）／Σｓ（ｒｒ，θ） （θ＝θ１〜θ２） （６）
Ｒｍ＝Ｒ−２０・ｌｏｇ（ｔ（ｒ）） （７）
ここで、ｒｒは基準水深、例えば１０ｍである。ｓ（ｒ，θ）は、送受波器１の直下での最大ビーム幅ｄ（ｒ，０）に対する、到来角θの方向での最大ビーム幅ｄ（ｒ，θ）の比である。ｓ（ｒ，θ）は、θが大きくなるにしたがって小さくなっていくので、θの増大によって減少するｄ（ｒ，θ）の残存率を示す。

ｔ（ｒ）は、ラフネスＲの計算対象期間Ｔ１〜Ｔ２に対応する到来角θ１〜θ２の範囲における、基準水深ｒｒでの最大ビーム幅ｄ（ｒｒ，θ）の残存率の合計値に対する、ラフネスが実際に算出される水深ｒでの最大ビーム幅ｄ（ｒ，θ）の残存率の合計値の比である。このｔ（ｒ）は、水深ｒが大きくなるにしたがって小さくなり、水深ｒが基準水深ｒｒであるときは１となる。期間Ｔ１〜Ｔ２に含まれる各受信データのサンプリング時間をＴｓとすると、θ１〜θ２の範囲での各θの値は、式｛Ｔｓ＝（Ｔ０／ｃｏｓθ）｝から求められる。Ｔ０は、海底エコー４３のピーク４３ａが受信される既知の時間である。

また、ｓ（ｒ，θ）、ｓ（ｒｒ，θ）は、θ１〜θ２の入射角で海底に入射した超音波のエコー信号が送受波器１で全て受信されたとしたときのＸ（ｉ）（式（３）のｘ（ｉ）がｄＢ値に変換される前の値、図４参照）と同様の傾向で変化する。したがって、式（７）で表されるように、水深ｒで求められたラフネスＲを上述の補正値である｛−２０・ｌｏｇ（ｔ（ｒ））｝で補正することにより、水深ｒが基準水深ｒｒであるとしたときに、式（３）で算出されるラフネスＲの近似値であるラフネスＲｍが求められる。つまり、ラフネスＲｍは、深度の深浅の影響を受けないラフネスを示す値である。しかも、従来のＴＶＧ処理での２０・ｌｏｇ（ｒ）による補正とは違って、式（７）による補正では到来角θや送信パルス幅τも考慮されているので、より正確なラフネスＲｍが算出される。

さらに、上記のラフネスＲｍを複数の探知サイクルで求め、それらを平均値化すれば、より信頼性の高いラフネスＲｍを求めることができる。ラフネス情報を表示部８に表示するに当たっては、ラフネスＲｍの値が所定の数値範囲（例えば、０〜１０）にマッピングされ、マッピングされた値がラフネス曲線として表示される。ハードネスも同様にしてハードネス曲線として表示される。図７はラフネス曲線などが表示された表示部８を示す。表示部８には、海面を表す画像７１、魚群を表す画像７２、および海底面を表す画像７３が、従来と同様にして表示される。表示部８の下部には、ラフネスＲｍを示すラフネス曲線７４とハードネスを示すハードネス曲線７５とが表示される。ラフネス曲線７４とハードネス曲線７５に代えて、ラフネスＲｍおよびハードネスをその値に応じた色彩で表すようにしてもよい。さらに、ラフネスＲｍやハードネスの値、水深情報などをパーソナルコンピュータに送り、底質のラフネスやハードネス、水深などを海図上に描画させることもできる。

以上述べた実施形態においては、ラフネスＲの計算対象範囲を規定するために第１サイドローブ２２の開始角度θ１と終了角度θ２とを用いたが、メインローブ２１の中央部を含まない方向であれば、他の角度、例えば第１サイドローブ２２の開始角度と第１サイドローブ２２の主軸方向の角度や、第１サイドローブ２２の主軸方向の角度と第２サイドローブ２３の主軸方向の角度などを用いることができる。また、上記実施形態では、ラフネスＲを補正してラフネスＲｍを求め、ラフネスＲｍを最終的なラフネスを示す値としたが、水深ｒの浅い所（例えば、水深が１００ｍよりも浅い所）では最大ビーム幅ｄ（ｒ，θ）の減少による影響も小さいので、ラフネスＲを最終的なラフネスを示す値とすることもできる。

さらに、上記実施形態では、尾引き部４３ｃの受信データを当該受信データの最大値で正規化した値の平均値をラフネスＲとしたが、尾引き部４３ｃの受信データを当該受信データの最大値で正規化した値の合計値や、この合計値に所定の係数を掛けた値などをラフネスＲとすることもできる。ただし、このようにする場合には、水深によって合計値などが変動するのを防止するために、式（２）で定義されるＴ２に代えて、例えば、｛Ｔ１＋所定時間｝で定義されるＴ２で尾引き部４３ｃの所定範囲が規定される。以上のことから、本発明では、尾引き部４３ｃの受信データを当該受信データの代表値（例えば、最大値）で正規化した値に基づいてラフネスが算出される。さらに、上記実施形態では、海底１次エコーである海底エコー４３の尾引き部４３ｃの受信データ（受信信号）に基づいてラフネスＲ、Ｒｍを算出したが、本発明の海底エコーは海底１次エコーに限定されない。すなわち、海底２次エコーは海底の底質を示す情報としての精度が低いなどの問題があるものの、海底２次エコーから同様の方法でラフネスＲ、Ｒｍを算出することも可能である。

さらに、上記実施形態では、送受波器１の振動子の個数については特に触れなかったが、振動子の個数は１つでも複数でもよい。送受波器１が複数の振動子を備えている場合、特許文献４に示すように、船体の動揺に応じて各振動子の送信信号と受信信号との位相を調整して、送信ビームと受信ビームとが常に鉛直下方に向けられるようにすれば、船体が動揺しているときでも、海底の底質のラフネスＲ、Ｒｍを正しく検出することができる。さらに、上記実施形態では、他の船舶から発射された超音波による干渉については述べなかったが、従来から用いられている方法で干渉が除去される。

本発明に係る底質検出装置の構成を示すブロック図である。 送受波器の指向特性を示す図である。 海底での超音波の反射の様子を示す図である。 送信パルス、魚群エコーおよび海底エコーを示す図である。 尾引き部の３つの波形を示す図である。 水深、海底エコーの到来角、最大ビーム幅の関係を示す図である。 ラフネス曲線などが表示された表示部を示す図である。 従来の音響測深器の受信信号を示す図である。

符号の説明

１ 送受波器
９ 演算制御部
２１ メインローブ
２２ 第１サイドローブ
４１ 送信パルス
４２ 魚群エコー
４３ 海底エコー
４３ａ 海底エコーのピーク
４３ｂ 海底エコーの先頭部
４３ｃ 海底エコーの尾引き部
１００ 底質検出装置
Ｔ０ 海底エコーのピークの時間
Ｔ１ 尾引き部の所定範囲の開始時間
Ｔ２ 尾引き部の所定範囲の終了時間
θ１ 第１サイドローブの開始角度
θ２ 第１サイドローブの終了角度

Claims (7)

1. 送受波器から海底へ向けて超音波パルスを発射し、送受波器で受信される海底エコーの受信信号に基づいて海底の底質を検出する底質検出装置において、
   前記海底エコーの尾引き部の所定範囲内の受信信号を当該所定範囲内の受信信号の代表値を用いて正規化し、正規化された値に基づいて海底面のラフネスを算出するラフネス算出手段を備えることを特徴とする底質検出装置。
2. 送受波器から海底へ向けて超音波パルスを発射し、送受波器で受信される海底エコーの受信信号に基づいて海底の底質を検出する底質検出装置において、
   前記海底エコーの尾引き部の所定範囲内の受信信号を当該所定範囲内の受信信号の代表値を用いて正規化し、正規化された値の平均値を求めることにより海底面のラフネスを算出するラフネス算出手段を備えることを特徴とする底質検出装置。
3. 請求項１または請求項２に記載の底質検出装置において、
   前記代表値が前記所定範囲内の受信信号の最大値であることを特徴とする底質検出装置。
4. 請求項１から３のいずれかに記載の底質検出装置において、
   前記所定範囲が前記送受波器の指向特性に基づいて規定されることを特徴とする底質検出装置。
5. 請求項１から３のいずれかに記載の底質検出装置において、
   前記所定範囲が前記送受波器のサイドローブ領域の角度に基づいて規定されることを特徴とする底質検出装置。
6. 請求項１から５のいずれかに記載の底質検出装置において、
   前記ラフネス算出手段が算出したラフネスを、当該ラフネス算出時の水深、基準水深、前記所定範囲の受信信号に相当する海底エコーの到来角度、および前記超音波パルスのパルス幅に基づいて補正するラフネス補正手段をさらに備えることを特徴とする底質検出装置。
7. 送受波器から海底へ向けて超音波パルスを発射し、送受波器で受信される海底エコーの受信信号に基づいて海底の底質を検出する底質検出方法において、
   前記海底エコーの尾引き部の所定範囲内の受信信号を当該所定範囲内の受信信号の代表値を用いて正規化し、正規化された値に基づいて海底面のラフネスを算出することを特徴とする底質検出方法。
   

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