JP2011191059A - 水中探知装置および水中探知方法 - Google Patents

Abstract

【課題】レベルの異なるエコー成分を同等レベルまで増幅するＡＧＣ処理時に高いＳＮ比を実現する。
【解決手段】第１ビーム形成部３１は、各受波信号を複数のグループに分割し、グループ毎に一次ビーム信号ＳＴＢを形成する。第１フィルタ処理部３２は、各一次ビーム信号ＳＴＢに対して帯域制限型のフィルタ処理を行う。これらのビーム形成処理および帯域制限処理により、一次ビーム信号ＳＴＢのＳＮ比は、受波信号のＳＮ比よりも大幅に高くなる。フィルタ処理後の一次ビーム信号ＳＴＢは、ＴＶＧ処理部３３によりＴＶＧ処理された後に、ＡＧＣ処理部３４へ入力される。ＡＧＣ処理部３４は、一次ビーム信号ＳＴＢのレベルをクリップレベルまで増幅して、第２ビーム形成部３５へ出力する。第２ビーム形成部３５は、ＡＧＣ処理後の一次ビーム信号ＳＴＢを用いて受信ビーム信号を生成する。
【選択図】 図２

Description

本発明は、水中に超音波を送信し、対象物での反射エコーを受信することで、水中探知を行う水中探知装置および水中探知方法に関するものである。

従来、水中に超音波を送信し、対象物からの反射エコーを受信して、水中の探知画像を形成する魚群探知機やスキャニングソナー等の水中探知装置が、例えば、特許文献１や特許文献２に示すように各種考案されている。

このような水中探知装置は、一般的に反射エコーから次に示す処理で探知画像を形成する。超音波の反射エコー信号を受波し、電気信号に変換して、受波信号を生成する。通常、この受波信号には、雑音成分も含まれる。ビーム形成前処理として、受波信号に対してＴＶＧ（Ｔｉｍｅ Ｖａｒｉａｂｌｅ Ｇａｉｎ）処理やＡＧＣ（Ａｕｔｏ Ｇａｉｎ Ｃｏｎｔｒｏｌ）処理等の増幅処理を施す。ＴＶＧ処理とは、受波信号の距離減衰を補正するように、すなわち送受波器の近傍のエコーも遠方のエコーも同等のレベルで探知画像に現れるように受波信号を増幅する処理である。ＡＧＣ処理は、レベルの高いエコーもレベルの低いエコーも同等のレベルで探知画像で現れるように受波信号を増幅する処理である。ビーム形成前処理後の受波信号を用いて受信ビーム信号を形成する。受信ビーム信号に対してフィルタ処理を行って雑音成分を抑圧し、表示用の増幅を行う。表示用の増幅処理を行った受信ビーム信号に基づいて探知画像を形成する。

特開２００７−６４７６８号公報 特開２００３−８４０６０号公報

しかしながら、上述のＡＧＣ処理では、受波信号に含まれるエコー成分が雑音成分より高ければ、ＡＧＣ処理が有効に機能するが、エコー成分が雑音成分よりも低いとＡＧＣ処理が有効に機能しない。

図１は、従来の水中探知装置の構成におけるＡＧＣ処理の問題点を説明するための図である。図１（Ａ）はエコー成分のレベルが雑音成分のレベルよりも高い場合を示し、図１（Ｂ）はエコー成分のレベルが雑音成分のレベルよりも低い場合を示す。

ＡＧＣ処理は、図１に示すように、予め設定したＡＧＣクリップレベルまで、受波信号のレベルを増幅させる処理である。

このため、図１（Ａ）に示すように、ＳＮ比（Ｓ／Ｎ，ＳＮＲ）が高く、エコー成分のレベルが雑音成分のレベルよりも高ければ、エコー成分がＡＧＣクリップレベルまで増幅される。これにより、有効にＡＧＣ処理が実行される。

一方、図１（Ｂ）に示すように、ＳＮ比が低く、エコー成分のレベルよりも雑音成分のレベルが高いと、雑音成分レベルがＡＧＣクリップレベルまで増幅される。この時点では、エコー成分のレベルは、ＡＧＣクリップレベルまで増幅されていない。ＡＧＣ処理は、ＡＧＣクリップレベルまで増幅されることで、増幅処理を停止するので、雑音成分レベルが高い場合には、エコー成分のレベルにゲイン不足が生じる。

このようにＡＧＣクリップレベルまで増幅されなかったエコー成分は、探知画像上に現れない可能性がある。

したがって、本発明の目的は、ＡＧＣ処理時に高いＳＮ比を実現できる水中探知装置および水中探知方法を実現することにある。

この発明は、水中に超音波を送信し、対象物の反射エコーを受信して探知画像を形成する水中探知装置に関する。水中探知装置は、送受波部、第１ビーム形成部、第１フィルタ処理部、増幅部、および受信ビーム形成部を備える。送受波部には、複数の送受波器が備えられている。各送受波器は、それぞれに超音波を送波し、該超音波が対象物で反射して得られるエコーを受波して受波信号を生成する。第１ビーム形成部は、各送受波器の受波信号をグループ化し、該グループ毎に一次ビーム信号を生成する。第１フィルタ処理部は、一次ビーム信号に対して帯域制限処理する。増幅部は、第１フィルタ処理部で帯域制限された各一次ビーム信号を増幅する。第２受信ビーム形成部は、クリップレベルまで増幅された複数の一次ビーム信号を選択し、所望の指向特性となる第２受信ビーム信号を生成する。

この構成では、従来のような各送受波器の受波信号を直接増幅（上述のＡＧＣ処理を含む処理に相当）して、当該増幅した受波信号から受信ビーム信号を形成する処理を行わず、一次的に受信ビーム信号よりも粗い（方位分解能が低い）指向性からなる一次ビーム信号を形成する。このように一次ビーム信号を形成することで、雑音成分に対してエコー成分が強調され、受波信号と比較してＳＮ比が高くなる。さらに、一次ビーム信号を帯域制限処理することで、一次ビーム信号に含まれる雑音成分が抑圧され、さらにＳＮ比が高くなる。したがって、帯域制限処理された一次ビーム信号はＳＮ比が高く、上述のＡＧＣ処理を行っても、雑音成分ではなく、目的とするエコー成分が所定レベル（クリップレベル）まで増幅される。

また、この発明の水中探知装置は、第1フィルタ処理部は、送受波部が装着される船体の船速に基づくドップラシフトを補正して、帯域制限処理を行う。

この構成では、船速に基づくドップラシフトが補正されることで、より正確に、エコー成分を残しながら、雑音成分を抑圧することができる。これにより、一次ビーム信号のＳＮ比がより高くなり、さらに確実にエコー成分をクリップレベルに増幅することができる。

また、この発明の水中探知装置は、第２受信ビーム信号の帯域制限処理を行う第２フィルタ処理部を備える。

この構成では、第２フィルタ処理部で第２受信ビーム信号に含まれる雑音成分が抑圧されるので、より鮮明な探知画像が形成される。

また、この発明の水中探知装置の第１フィルタ処理部は、第２フィルタ処理部と比較して、通過帯域が広く設定されている。

この構成では、第２フィルタ処理部よりも第１フィルタ処理部の通過帯域幅が広く設定されることで、第２フィルタ処理部よりも多数必要である第１フィルタ処理部を簡素な構造で実現できる。これにより、水中探知装置全体としても、より簡素な構造が実現できる。

また、この発明の水中探知装置では、第１ビーム形成部で設定する送受波器のグループは、所定方向に並ぶ送受波器によって構成される。また、第２受信ビーム信号は、所定方向に直交する方向に並ぶ各グループの一次ビーム信号を用いて形成される。

この構成では、ビーム形成後に増幅処理を行うよりも、増幅処理後にビーム形成処理を行う方が、メインローブの幅が狭く、サブローブのレベルを抑圧できることを利用している。したがって、増幅前に一次ビーム信号として、比較的高分解能が要求されない所定方向に対するビーム形成処理を行う。次に、比較的高分解能が要求されない所定方向に直交する高分解能が要求される方向に対して、増幅処理後にビーム形成処理することで、要求する分解能からなる第２受信ビーム信号を実現できる。これにより、エコー成分の確実なクリップレベルまでの増幅と、高分解能な受信ビーム信号の形成を、従来よりも簡素な回路構成で実現できる。

また、この発明の水中探知装置は、第１ビーム形成部で設定する送受波器のグループを、第２受信ビーム信号毎に異なる組合せにしている。

この構成では、第２受信ビーム信号毎の設定が可能であり、各第２受信ビーム信号の指向性等の特性を個別且つ詳細に設定しやすい。

また、この発明の水中探知装置では、第１ビーム形成部で設定する送受波器のグループは、複数の送受波器が配列された配列面の直交する二軸に沿って、二次元配列されている。

この構成では、第２受信ビーム信号の形成時に、第１ビーム形成部で比較的高分解能を実現できない方向にも複数のグループを構成できる。そして、このような方向も含む二次元配列されたグループから第２受信ビーム信号を形成することで、上述の構成では比較的高分解能が実現できない方向に対しても高分解能化することができる。これにより、エコー成分の確実な所定レベル（クリップレベル）までの増幅と、より高分解能な受信ビーム信号の形成とを実現できる。

この発明によれば、レベルの異なるエコー成分を同等レベルまで増幅するＡＧＣ処理時に高いＳＮ比を実現できる。これにより、受波信号にて雑音成分が高い状況にあっても、より確実にエコー成分をクリップレベルまで増幅することができ、ＡＧＣ処理を、より確実に有効機能させることができる。

従来の水中探知装置の構成におけるＡＧＣ処理の問題点を説明するための図である。 第１の実施形態の水中探知装置１の概略構成を示すブロック図および受波信号処理部１３の概略構成を示すブロック図である。 一次ビーム信号の形成概念、および受信ビーム信号の形成概念を示す図である。 従来の構成と本実施形態の構成による各受信ビーム信号の出力レベルの違いを表す図である。 従来の構成と本実施形態の構成による探知画像の違いを表す図である。 第２の実施形態の受波信号処理部１３Ａの概略構成を示すブロック図である。 第３の実施形態のビーム形成の概念を説明するための図である。

本発明の第１の実施形態に係る水中探知装置について、図を参照して説明する。図２（Ａ）は本実施形態の水中探知装置１の概略構成を示すブロック図であり、図２（Ｂ）は水中探知装置１の受波信号処理部１３の概略構成を示すブロック図である。図３は、送受波部１０の概略形状と、一次ビーム信号および受信ビーム信号の形成概念を示す図である。図３（Ａ）は一次ビーム信号の形成概念を示し、図３（Ｂ）は受信ビーム信号の形成概念を示す。なお、本実施形態では、水平面に沿った探知画像であるＨモード画像を形成する場合を示す。

水中探知装置１は、送受波部１０、送受切替器１１、送信制御部１２、受波信号処理部１３、ビーム形成後処理部１４、表示制御部１５を備える。

送受波部１０は、図３に示すように円筒形の筐体を備える。送受波部１０は、例えば水中探知装置１が備えられた船体の略中央の船底等に配置されている。この際、送受波部１０は、円筒の延びる方向が垂直方向（鉛直方向）に沿い、円周面に直交する方向が水平方向に沿うように配置される。

円筒形の筐体の円周面には、図３には詳細を図示していないが、複数の送受波器１００が所定パターンで配列されている。具体的には、複数の送受波器１００は、円筒の延びる方向を一軸方向とし、円周方向を二軸方向として、二次元配列により配列形成されている。

送受波部１０には、送受切替器１１が接続されている。送受切替器１１は、送信制御部１２からの送信制御信号を送受波部１０の各送受波器１００へ出力し、送受波部１０の各送受波器１００からの受波信号を受波信号処理部１３へ出力する。

送信制御部１２は、複数の送受波器１００から送波する超音波パルスにより、所定の送信ビームが形成されるように、各送受波器１００に与える送信制御信号を設定する。

送受波部１０の各送受波器１００は、当該送信制御信号により駆動され、それぞれに超音波パルスを水中へ送波する。各送受波器１００は、超音波パルスが魚群や海底等の対象物に反射したエコーを受波し、電気信号に変換して受波信号として出力する。各受波信号は、上述のように送受切替器１１を介して受波信号処理部１３へ入力される。

受波信号処理部１３は、詳細な構成および処理は後述するが、各受波信号に基づいて比較的粗い指向性の一次ビーム信号ＳＢＰを生成する。受波信号処理部１３は、各一次ビーム信号ＳＢＰに対して帯域制限型のフィルタ処理し、さらにＴＶＧ処理、ＡＧＣ処理する。受波信号処理部１３は、ＡＧＣ処理後の一次ビーム信号ＳＢＰを用いて受信ビーム信号ＳＢを生成し、受信ビーム信号ＳＢに対して帯域制限型のフィルタ処理を施して、出力する。

ビーム形成後処理部１４は、受信ビーム信号ＳＢに対して、表示用の増幅処理等を行う。表示用の増幅処理とは、例えば、デフォルトの一定値からなるオフセットゲインによる増幅処理や、図示しない操作部によりユーザから操作入力されたゲインに応じた増幅処理である。表示制御部１５は、表示用の増幅処理が施された受信ビーム信号ＳＢに基づいて、探知画像を形成し、表示器等へ出力する。

次に、受波信号処理部１３の具体的構成および具体的処理について説明する。

受波信号処理部１３は、図２（Ｂ）に示すように、第１ビーム形成部３１、第１フィルタ処理部３２、ＴＶＧ処理部３３、ＡＧＣ処理部３４、第２ビーム形成部３５、および第２フィルタ処理部３６を備える。

第１ビーム形成部３１は、各送受波器１００からの受波信号を用いて、位相合成法等によりビーム形成処理することで、一次ビーム信号ＳＢＰを生成する。この際、第１ビーム形成部３１は、図３（Ａ）に示すように、送受波部１０に配列形成された送受波器１００群を複数のグループＳＴに区分し、グループＳＴ毎に一次ビーム信号ＳＢＰを生成する。

グループＳＴの具体的な構成方法は、円筒の延びる方向に並ぶ複数の送受波器１００をそれぞれに一つのグループＳＴとする。これにより、各グループＳＴが筐体の円周方向に沿って配列形成される構成となる。

より具体的に、図３（Ａ）を参照して、一次ビーム信号ＳＢＰの形成の一例を説明すると、水平面における所定方位に送受波面が向く（直交する）送受波器１００からなるグループＳＴ（１）を構成する。当該グループＳＴ（１）を構成する各送受波器１００の受波信号を位相合成することで、円筒の延びる方向である垂直方向に指向性を有する一次ビーム信号ＳＢＰ１を生成する。この際、受信ビーム信号と同じティルト角の一次ビーム信号ＳＢＰ１を生成する。

このような一次ビーム信号ＳＢＰの形成処理は、送受波部１０の全周に配置された各グループＳＴ（１）からグループＳＴ（ｎ）に対してそれぞれ実行される。これにより、送受波部１０の全周に亘るグループＳＴ（１）からグループＳＴ（ｎ）のそれぞれによって、一次ビーム信号ＳＢＰ（１）から一次ビーム信号ＳＢＰ（ｎ）が生成される。なお、ここで示すｎは、任意の整数であり、送受波器１００の円周方向に沿った配列数によって決まる。

このように、各送受波器１００の受波信号から一次ビーム信号ＳＢＰを生成することで、受波信号に含まれる設定されたティルト角から受信されるエコー成分は位相が揃っているため正確にレベルが積み重ねられて高くなる。一方、雑音成分のシステム雑音は位相が揃っておらずエコー成分のように正確には積み重ならず、相殺等も生じる。また、水中雑音は指向性利得により抑圧される。これにより、受波信号に対して一次ビーム信号の方が、雑音成分のレベルに対するエコー成分のレベルが、相対的に高くなる。したがって、一次ビーム信号化することで、受波信号の状態よりもＳＮ比を高くすることができる。

第１フィルタ処理部３２は、一次ビーム信号ＳＢＰのそれぞれを帯域制限するフィルタである。第１フィルタ処理部３２を構成するフィルタの通過帯域は、エコー成分の周波数帯域を含む所定の帯域幅で設定されている。この際、フィルタの通過帯域は、エコー成分の周波数帯域と略一致するような帯域幅の設定ではなく、エコー成分とは異なる近傍の周波数の雑音成分を或程度許容するように、エコー成分の周波数帯域よりも所定周波数幅分、広い帯域幅の設定になっている。

このように、各一次ビーム信号ＳＢＰをフィルタ処理することで、各一次ビーム信号ＳＢＰに含まれる雑音成分のレベルをさらに抑圧することができる。これにより、各一次ビーム信号ＳＢＰのＳＮ比を高くすることができる。この結果、受波信号の状態よりも、ＳＮ比を大幅に高くすることができる。

ＴＶＧ処理部３３は、各一次ビーム信号ＳＢＰに対して、ＴＶＧ（Time Variable Gain）処理を行う。ＴＶＧ処理とは、一つの一次ビーム信号ＳＢＰに対して、送信タイミングに基づく基準タイミングからの時間経過量に応じて、振幅の増幅率を徐々に高く変化させる処理である。これは、送信される超音波およびエコーが水中で距離減衰するので、当該距離減衰を補正するための処理である。これにより、反射面積が同じ対象物であれば、送受波部１０の近傍の対象物も遠方の対象物も、一次ビーム信号ＳＢＰにおいて同じレベルにすることができる。

ＡＧＣ処理部３４は、各一次ビーム信号ＳＢＰに対して、ＡＧＣ（Auto Gain Control）処理を行う。ＡＧＣ処理とは、一次ビーム信号の振幅レベルを、ＡＧＣ処理部３４のダイミックレンジで決まるクリップレベルまで、増幅する処理である。この処理により、レベルの低いエコーもレベルの高いエコーも、同等のレベルまで増幅される。この際、各一次ビーム信号は位相情報が残るように増幅される。そして、この処理では、上述の課題に示したように、ＳＮ比が高く、エコー成分の振幅レベルが雑音成分の振幅レベルよりも高ければ、エコー成分がクリップレベルまで増幅される。一方、ＳＮ比が低く、エコー成分の振幅レベルが雑音成分の振幅レベルよりも低ければ、雑音成分がクリップレベルまで増幅されてしまう。

ここで、上述のように、受波信号を元にして一次ビーム形成処理および帯域制限処理（ＢＰＦ処理）が施されていることで、ＡＧＣ処理部３４に入力される時点の信号である一次ビーム信号ＳＢＰは、ＳＮ比が高い信号となる。したがって、ＡＧＣ処理部３４では、各一次ビーム信号ＳＢＰを増幅処理することで、当該信号に含まれるエコー成分を確実にクリップレベルまで増幅できる。これにより、ＡＧＣ処理を確実に機能させることができる。

第２ビーム形成部３５は、ＡＧＣ処理後の一次ビーム信号ＳＢＰを用いて、位相合成法等によりビーム形成することで、所定方位に最大感度方向を有し、所定の指向性幅を有する受信ビーム信号ＳＢを生成する。この際、第２ビーム形成部３５は、図３（Ｂ）に示すように、生成する受信ビーム信号ＳＢに応じて、円周方向に沿って並ぶグループＳＴを適宜選択する。第２ビーム形成部３５は、選択したグループＳＴの一次ビーム信号ＳＢＰを用いて、受信ビーム信号ＳＢを生成する。

より具体的に、図３（Ｂ）を参照して、受信ビーム信号ＳＢの形成の一例を説明すると、円周方向に沿って並ぶグループＳＴ（ｎ−２），（ｎ−１），（ｎ），（１），（２），（３）を選択し、受信ビーム用グループＧＳＴ（１）を構成する。当該受信ビーム用グループＧＳＴ（１）を構成するグループＳＴ（ｎ−２），（ｎ−１），（ｎ），（１），（２），（３）の一次ビーム信号ＳＢＴを位相合成することで、円周面に平行な方位方向に指向性を有する受信ビーム信号ＳＢ１を生成する。なお、図３（Ｂ）では、水平面の一方位にのみ受信ビーム信号ＳＢを形成するように示しているが、このようなグループを選択して受信ビーム信号ＳＢを生成する処理は、全周囲方向に対して、所定の方位角分解能で行われる。これにより、複数の受信ビーム信号が所定の方位角単位で最大感度方向を異ならせるように生成される。

第２フィルタ処理部３６は、各受信ビーム信号ＳＢに対して、帯域制限によるフィルタ処理を行う。このフィルタ処理の通過帯域は、エコー成分の周波数帯域を含む帯域幅で設定されている。第２フィルタ処理部３６の通過帯域は、エコー成分の周波数帯域とほぼ同じにすると良い。これにより、受信ビーム信号ＳＢに含まれる雑音成分を抑圧することができる。なお、第２フィルタ処理部３６は、必要に応じて省略することもできる。これは、受信ビーム信号ＳＢを生成することでも、一次ビーム信号ＳＢＰ時点に含まれる雑音成分が抑圧されているからである。

以上のような構成および処理を行うことで、従来のように雑音成分レベルが高い場合にＡＧＣ処理が有効に機能しないという問題を解決し、雑音成分レベルに関係なく、確実にＡＧＣ処理を有効に機能させることができる。

図４は従来の構成と本実施形態の構成による各受信ビーム信号の出力レベル（各ビームのメインローブのレベルに対応）の違いを表す図である。図４（Ａ）が従来の構成を用いた場合を示し、図４（Ｂ）が本実施形態の構成を用いた場合を示す。また、図４において、実線が雑音成分のレベルが大きい状態を示し、破線が雑音成分のレベルが小さい場合を示している。

図４に示すように、従来の構成では、雑音成分が大きい場合には、雑音成分が小さい時よりも、ビームの出力レベルが低下してしまう。これにより、図４（Ａ）に示すような表示用閾値で表示を行うと、Ｂｅａｍ０のエコーは、雑音成分が小さければ画像上に現れるが、雑音成分が大きな場合には画像上に現れなくなってしまう。

一方、本実施形態の構成を用いることで、雑音成分の大きい場合であっても、雑音成分が小さい時と同等に、ビームの出力レベルが得られる。これにより、図４（Ｂ）に示すように表示用閾値で表示を行ったとしても、Ｂｅａｍ０のエコーは、常に画像上に現れる。

また、図５は従来の構成と本実施形態の構成による探知画像の違いを表す図である。図５では、従来の構成と本実施形態の構成において雑音成分が大、中、小の場合を示す。なお、図５において、白円で囲まれた領域が対象物のエコーが現れる領域である。

図５からも明確に分かるように、従来の構成では雑音成分の増加に伴って、エコーが急激に表示されなくなるのに対して、本実施形態の構成を用いることで、雑音成分が増加しても影響を受け難く、エコーを確実に表示することができる。

以上のように、本実施形態の構成を用いることで、雑音成分のレベルに影響されることなく、確実にエコーを表示することができる。

ところで、本実施形態に類似する構成として、より単純に、受波信号から受信ビーム信号を直接形成し、受信ビーム形成後のＡＧＣ処理を行う方法も考えられる。しかしながら、この方法では、受信ビーム信号のメインローブのビーム幅が広くなるとともに、レベルの高いサイドローブが発生するという問題が生じ、探知画像の分解能が低下してしまう。しかしながら、本実施形態の構成を用いれば、このような探知画像の分解能の低下を引き起こすことなく、ＡＧＣ処理を有効に機能させることができる。

また、この分解能の低下を解決するためにＡＧＣ処理後に再度受信ビーム形成する方法も考えられるが、回路規模が非常に大きくなってしまう。また、特許文献２に記載のように送受波器からの受波信号毎に帯域通過フィルタを備えることでも、ＡＧＣ処理時のＳＮ比を高くすることは可能であるが、フィルタ数が非常に多くなり、これもまた回路規模を非常に大きくしてしまう。しかしながら、本実施形態の構成を用いれば、このような回路の大幅な大規模化を行わずとも、確実なＡＧＣ処理と探知画像の高分解能化を両立することができる。

次に、第２の実施形態に係る水中探知装置について、図を参照して説明する。本実施形態の水中探知装置は、第１の実施形態の水中探知装置に対して、受波信号処理部１３が受波信号処理部１３Ａに置き換わったものである。したがって、当該受波信号処理部１３Ａに関連する箇所のみを説明する。図６は、第２の実施形態の受波信号処理部１３Ａの概略構成を示すブロック図である。

受波信号処理部１３Ａは、第１ビーム形成部３１、第１フィルタ処理部３２Ａ、ＴＶＧ処理部３３、ＡＧＣ処理部３４、および第２ビーム形成部３５を備える。なお、第１ビーム形成部３１、ＴＶＧ処理部３３、ＡＧＣ処理部３４、および第２ビーム形成部３５の構成および処理も第１の実施形態と同じであるので、説明は省略する。

第１フィルタ処理部３２Ａには、外部の船速計測部１６から船速情報が入力される。第１フィルタ処理部３２Ａは、船速情報に応じて、各一次ビーム信号ＳＢＰに対するドップラ周波数を算出する。第１フィルタ処理部３２Ａは、算出したドップラ周波数に基づいて各一次ビーム信号ＳＢＰの中心周波数をシフトする。

第１フィルタ処理部３２Ａは、中心周波数をシフトした各一次ビーム信号ＳＢＰに対して、帯域制限型のフィルタ処理を行う。

このような構成とすることで、全ての一次ビーム信号の中心周波数を同じ周波数にすることができるので、一次ビーム信号毎に個別に詳細な帯域設定する必要なく、通過帯域設定を容易にし、回路規模を簡素化することができる。さらに、中心周波数のシフトにヘテロダイン方式を用いれば、さらに回路規模を小さくすることができる。

また、船速ドップラに影響されることなく、エコー成分の周波数帯域を確実に通過帯域内にすることができるので、より正確なフィルタ処理が可能になる。

なお、本実施形態では、第１の実施形態に示した第２フィルタ処理部３６を省略している。これは、第１フィルタ処理部３２Ａのフィルタ精度が向上することで、一次ビーム信号化、受信ビーム信号化も含めて、受信ビーム信号に含まれる雑音成分のレベルを十分に抑圧できるからである。しかしながら、必要に応じて、本実施形態の受波信号処理部１３Ａにも第２フィルタ処理部３６を追加してもよい。

また、第２フィルタ処理部３６を備える構成の場合、船速ドップラに対するオフセット補正を第２フィルタ処理部３６で行っても良いが、本実施形態に示すように、第１フィルタ処理部３２Ａで行うことで、船速ドップラに対するオフセット補正の作用が、より有効になる。

次に、第３の実施形態に係る水中探知装置について図を参照して説明する。本実施形態の水中探知装置は、第１の実施形態に示した水中探知装置に対して、ビーム形成方法が異なるものである。したがって、ビーム形成に関する箇所のみを説明する。図７は、本実施形態のビーム形成の概念を説明するための図である。

上述の第１の実施形態では、円筒の延びる方向に並ぶ全ての送受波器１００を一つのグループＳＴとして構成したが、本実施形態では、円筒の延びるに並ぶ送受波器１００群を二分割して、グループＳＴを構成する。例えば、図７に示すように、第１の実施形態におけるグループＳＴ（１）に代えて、グループＳＴ（１，１），ＳＴ（１，２）を構成する。これにより、円周面に沿う方向のみでなく、垂直方向に沿ってもグループＳＴを複数形成して配列することができる。すなわち円周面上に、二次元で複数のグループＳＴを設定することができる。

第１ビーム形成部３１では、二次元配列された複数のグループＳＴ毎に一次ビーム信号ＳＴＢを生成する。第２ビーム形成部３５では、これらの二次元配列された所定数のグループＳＴの一次ビーム信号を用いて、受信ビーム信号を生成する。このような処理を行うことで、上述のような方位方向の高分解能化とともに、垂直方向に対する高分解能化も可能となる。

なお、円筒の延びる方向のグループ分割数は二つに限るものでなく、三つ以上であってもよい。ただし、必要な探知画像の仕様に応じて、できる限り少ない分割数の方が、回路規模を小さくできて、望ましい。

なお、上述の各実施形態では、（１）第１ビーム形成部３１、（２）第１フィルタ処理部３２、（３）ＴＶＧ処理部３３の順で信号処理を行う例を示したが、（１）ＴＶＧ処理部３３、（２）第１ビーム形成部３１、（３）第１フィルタ処理部３２の順や、（１）第１ビーム形成部３１、（２）ＴＶＧ処理部３３、（３）第１フィルタ処理部３２の順で信号処理を行っても良い。すなわち、ＡＧＣ処理部３４よりも前段に、第１ビーム形成部３１と第１フィルタ処理部３２とが、この順に並ぶように配置されていればよい。なお、第１フィルタ処理部３２、第１ビーム形成部３１の順に配置することも可能であるが、回路規模が大きくなるので、第１ビーム形成部３１、第１フィルタ処理部３２の順であることが望ましい。また、（１）第１ビーム形成部３１、（２）第１フィルタ処理部３２、（３）ＴＶＧ処理部３３の順で処理を行えば、ＴＶＧ処理時における雑音成分のクリップによるゲイン不足も改善することができる。

また、上述の説明では、第１フィルタ処理部３２，３２Ａの具体的回路の実現方法を示していないが、ＩＩＲフィルタとすることが望ましい。これは、ＦＩＲフィルタでも実現は可能であるが、ＩＩＲフィルタとすることで、より回路規模を小さくすることができる。

また、上述の第１フィルタ処理部３２Ａの構成は虚部係数の乗算器が不要な実数フィルタで実現することができる。これは、一次ビーム信号の中心周波数をヘテロダイン方式によりＤＣベースバンド（０ｋＨｚ）にシフトすることで、０ｋＨｚを中心とするローパスフィルタによる帯域制限が可能となり、フィルタの虚部係数を「０」にでき、虚部係数の乗算器が不要になるためである。これにより、虚部係数の乗算器が必要な複素フィルタを用いるよりも回路規模を小さくでき、さらに水中探知装置としての回路規模を小さくすることができる。

また、上述の説明では、図５に示したようなＨモードの探知画像を形成する場合を示したが、水中の垂直断面を表すＶモードの探知画像や水平面に対して所定の成す角を有する断面を表すＳモードの探知画像を形成する場合にも、上述の構成および処理を適用することができる。ただし、Ｖモードの場合には、一次ビーム信号を形成する送受波器のグループは、円周方向に沿う送受波器で構成し、円筒の延びる方向に沿って並ぶグループ毎の一次ビーム信号を用いて受信ビーム信号を形成することが望ましい。この方法を用いることで、円筒の延びる方向すなわち垂直方向を高分解能にすることができる。

１−水中探知装置、１０−送受波部、１１−送受切替器、１２−送信制御部、１３，１３Ａ−受波信号処理部、１４−ビーム形成後処理部、１５−表示制御部、１６−船速計測部、３１−第１ビーム形成部、３２，３２Ａ−第１フィルタ処理部、３３−ＴＶＧ処理部、３４−ＡＧＣ処理部、３５−第２ビーム形成部、３６−第２フィルタ処理部

Claims (9)

1. それぞれに超音波を送波し、該超音波が対象物で反射して得られるエコーを受波して受波信号を生成する複数の送受波器が配列形成された送受波部と、
   各送受波器の受波信号をグループ化し、該グループ毎に一次ビーム信号を生成する第1ビーム形成部と、
   複数の一次ビーム信号に対して帯域制限処理する第1フィルタ処理部と、
   該第1フィルタ処理部で帯域制限された各一次ビーム信号を増幅する増幅部と、
   増幅された複数の一次ビーム信号を選択し、所望の指向特性となる第２受信ビーム信号を生成する第２受信ビーム形成部と、
   を備えた水中探知装置。
2. 請求項1に記載の水中探知装置であって、
   前記第1フィルタ処理部は、前記送受波部が装着される船体の船速に基づくドップラシフトを補正して前記帯域制限処理を行う、水中探知装置。
3. 請求項１または請求項２に記載の水中探知装置であって、
   前記第２受信ビーム信号の帯域制限処理を行う第２フィルタ処理部を備える、水中探知装置。
4. 請求項３に記載の水中探知装置であって、
   前記第１フィルタ処理部は、前記第２フィルタ処理部と比較して、通過帯域が広く設定されている、水中探知装置。
5. 請求項１乃至請求項４のいずれかに記載の水中探知装置であって、
   前記第１ビーム形成部で設定する前記送受波器のグループは、所定方向に並ぶ送受波器によって構成され、
   前記第２受信ビーム信号は、前記所定方向と異なる方向に並ぶ各グループの一次ビーム信号を用いて形成される、水中探知装置。
6. 請求項１乃至請求項５のいずれかに記載の水中探知装置であって、
   前記第１ビーム形成部で設定する前記送受波器のグループは、前記第２受信ビーム信号毎に異なる組合せからなる、水中探知装置。
7. 請求項１乃至請求項６のいずれかに記載の水中探知装置であって、
   前記第１ビーム形成部で設定する前記送受波器のグループは、前記複数の送受波器が配列された配列面の直交する二軸に沿って、二次元配列されている、水中探知装置。
8. それぞれに超音波を送波し、該超音波が対象物で反射して得られるエコーを受波して受波信号を生成する受波信号生成工程と、
   各受波信号をグループ化し、該グループ毎に一次ビーム信号を生成する一次ビーム信号生成工程と、
   複数の一次ビーム信号に対して帯域制限処理する第１フィルタ処理工程と、
   該帯域制限された各一次ビーム信号を増幅する増幅工程と、
   増幅された複数の一次ビーム信号を選択し、所望の指向特性となる第２受信ビーム信号を生成する第２受信ビーム形成工程と、
   を有する水中探知方法。
9. 請求項８に記載の水中探知方法であって、
   船速を計測する船速計測工程を有し、
   前記第1フィルタ処理工程は、前記船速に基づくドップラシフトを補正して、前記帯域制限処理を行う、水中探知方法。