JP2014132220A - 計量魚群探知機 - Google Patents

Abstract

【課題】広ビームと狭ビームを用いるデュアルビーム法によってターゲットストレングスを測定する従来よりも簡単な構成の魚群探知機を提供する。
【解決手段】広ビーム、狭ビームのデュアルビームを得る手段として、送受波器の送受波面を２区分して用いるのではなく、送信信号は高い周波数のパルスと低い周波数のパルスを時間的に重ならない程度に前後させて送信し、高い周波数で狭ビームを、低い周波数で広ビームを得、両ビームの受波信号はフィルタ５，６で分離してそれぞれの受波振幅を得るようにしたので、送受波器は複雑にならず、方向付け回路および受信増幅器４は各１個で済む。
【選択図】図１

Description

本発明は、魚群探知機のターゲットである魚体のターゲットストレングスＴ_Ｓを測定する計量魚群探知機の技術分野に属する。
ターゲットストレングスＴ_Ｓは、ターゲットに平面波が入射したときに、入射音波の強さ（Ｉ_ｉ）に対するターゲットから１ｍの距離での反射音波の強さ（Ｉ_ｒ）の比Ｉ_ｒ／Ｉ_ｉとして定義するものとされている。ターゲットストレングスは音響水産資源量調査で資源量を算出する際のスケールファクターとして、また、ターゲットストレングスＴ_Ｓが魚体長の２乗にほぼ比例することを用いる体長推定のための音響データとして、極めて重要であるとされている。

このようなターゲットストレングスＴ_Ｓを有し、水中の送受波器から距離ｒの魚体に対し、送受波器より超音波を照射したときに、魚体で反射されて送受波器へ戻って来て受波されたエコーレベルＥ_ｒは、ソナー方程式により数式１のように表される。

上記数式１において、Ｅ_ｒは受波されたエコーレベルであるから既知数であり、Ｐ_０、Ｍ、Ｇ_Ｒも魚群探知機の諸元であるから既知数であり、βも音波の水中減衰係数であり予め知ることのできる数であり、ｒも送波時点から反射波受波までの時間から算出されるので既知数ということになる。以上に対して、Ｄ（θ）は送受波器の指向性関数であるからこれも使用送受波器が定まれば既知函数であるが、これは変数であるθが定まらなければＤ（θ）の値は定まらない。このθが定まれば数式１をＴ_Ｓに関して展開すればＴ_Ｓは容易に求められることになる。しかしながらθは単に超音波を１つの送受波指向性で１回送受波するだけでは得られない数値であるため、θを求める工夫がなされている。
それが従来のデュアルビーム方式である。

図３は、従来のデュアルビーム方式によってＴ_Ｓを求めるための構成を示すブロック図である。
送受波器５１は円形であって、５１ａの部分と５１ｂの部分に同心円状に区分されている。送信機５４からは図２の（ｂ）に示されるような定められた周波数の超音波周波電気信号パルス６１が定められた周期Ｔで送信されそれが二手に分けられ、方向付け回路５２を経た方は送受波器５１の５１ａの部分に供給され、方向付け回路５３を経た方は５１ｂの部分に供給され、結局、送受波器５１の全振動子が励振されて超音波を送波することになる。この場合、送波の指向性ビームは５１ｂだけが励振された場合に較べて狭ビームとなる。

こうして送波された超音波は水中を伝搬して行き、ターゲットとしての魚体や水底に達するとそこで反射され、その一部が再び送受波器５１まで戻って来て５１ａ、５１ｂの各部分で受波され、超音波振動が超音波周波の電気信号に変換されて出力される。５１ａの部分から出力された受波信号は方向付け回路５２へ向かい、ここで受信系の方へ出力するように方向付けられる。同じく５１ｂの部分から出力された受波信号は方向付け回路５３へ向かい、ここで受信系の方へ出力するように方向付けられる。受信系では、方向付け回路５２から出力された受波信号は合成器５５へ入力され、方向付け回路５３から出力された受波信号は合成器５５と受信増幅器５７へ入力される。

合成器５５では合成作用により、反射受波信号を送受波器５１の５１ａの部分と５１ｂの部分の両方一体で受信したと同様の信号を出力するので、図４の狭ビーム６３で受波された信号として受信増幅器５６へ出力される。これに対して、方向付け回路５３から受信増幅器５７へ出力される受波信号は送受波器５１の５１ｂの部分のみで受波した信号であるので、図４の広ビーム６２で受波された信号ということになる。
受信増幅器５６および５７は、以後の処理に都合のよいレベルまで信号を増幅するためのものである。

図４は、送受波器５１の指向特性を示す図であり、Ｏ点からビームの先端へ向かう方向を指向中心軸６４として角度の基準としている。送受波器５１は円形であるのでその指向特性は、立体的には、指向中心軸６４を中心にして３６０度回転させたものとなる。
図４ではθの角度方向にターゲット６５が居ることを示している。そして、この角度方向線が、広ビーム６２、狭ビーム６３と交わる点とＯ点との間の長さが、ターゲット６５からの反射波の受波強度を示している。従って、Ａ_Ｎはターゲット６５からの反射を狭ビームで受波した場合の受波強度を示しており、Ａ_Ｗは広ビームで受波した場合の強度を示していることになる。角度θが変わればＡ_ＮもＡ_Ｗも異なる値となる。

ところで、広ビームの指向パターンも狭ビームの指向パターンも、使用する送受波器が定まれば、定まるものである。
従って、θの各値について、Ａ_Ｗ−Ａ_Ｎ或いはＡ_Ｗ／Ａ_Ｎの値を予め算出して、θとＡ_Ｗ−Ａ_Ｎ或いはＡ_Ｗ／Ａ_Ｎの対応表を作成しておくことができる。
そして、或る魚体からの反射を広ビームで受波したときと狭ビームで受波したときの受波レベルの差或いは比を算出し、これを予め作成してある対応表の差欄或いは比欄に当て嵌めれば対応する角度即ち魚体の存在する方向すなわちターゲット指向角θを知ることができる。
こうして、θが分かれば、前記数式１のＤ（θ）も値が定まるので、数式１の左辺のエコーレベル（受波レベル）の２乗値を右辺のＴ_Ｓ以外の総ての項で除することによりターゲットストレングスＴ_Ｓを求めることができることになる。

図３で見れば、振幅差又は振幅比検出器５８は、狭ビームで受波された反射信号と広ビームで受波された反射信号を受けて、両信号レベルの差又は振幅比を検出しその結果をターゲット指向角度θ抽出器５９へ送り、ここで対応表から反射ターゲットの指向角度θを抽出し、これをＴ_Ｓ算出器６０へ送る。
Ｔ_Ｓ算出器６０では、前記数式１によりターゲットストレングスＴ_Ｓを算出し目的を達成する。

澤田浩一、魚のターゲットストレングスの高精度推定に関する研究、「水産総合研究センター研究報告」2002年２月28日、第２号、P.52右欄第15行〜26行、P.53左欄「ソナー方程式」〜右欄１行〜23行、P.54右欄３行〜下から４行、P.55Fig.4(a) Dual Beam

上記図３の背景技術においては、１つの円形の送受波器で広ビームでの受波と狭ビームでの受波を行わせるために、送受波器５１の振動子群の配列を５１ａの部分と５１ｂの部分とに区分し、広ビームでの受波は５１ｂの部分のみの振動子からの受波信号を用い、狭ビームでの受波は５１ａ部分と５１ｂ部分の両方の受波信号を用いるようになっている。送波は送受波器５１の全振動子から行わせるので５１ａ部分と５１ｂ部分に分ける必要はないのであるが、受波の方で５１ａ部分と５１ｂ部分を区別しなければならないため、方向付け回路が２個必要となるうえ、受波の狭ビーム形成のため５１ａ部分の受波信号と５１ｂ部分の受波信号を送受波器５１全体で受波したときと同様になるよう合成する合成器５５が必要になる。また、受信系において狭ビームと広ビームは別系統となるため、信号処理に必要な信号レベルまで増幅する必要があるときは狭ビーム系と広ビーム系のそれぞれに増幅器が必要となる。
以上のように、背景技術には、構成要素が多くなるという問題がある。

本発明は、上記背景技術の問題点に鑑みて、背景技術におけるよりも構成要素の数を少なくして同等のターゲットストレングスを算出可能の計量魚群探知機を提供することを課題とする。

本発明は、上記の課題を解決するために以下の各構成を有する。
本発明の第１の構成は、下記の各手段を具備することを特徴とする計量魚群探知機である。
（イ） 高い周波数の超音波パルス電気信号と低い周波数の超音波パルス電気信号を時間的に重ならないように前後させた超音波周波電気信号パルス組を定められた周期で送信する送信機
（ロ） 前記高い周波数では幅狭指向性パターンを形成し、前記低い周波数では幅広指向性パターンを形成し、前記送信機から送信された前記超音波周波電気信号パルスを超音波パルスとして水中へ送波し、水中ターゲットからの反射波を受波して反射波電気信号として出力する円形送受波器
（ハ） 送信機から送信された超音波周波電気信号パルスを前記送受波器へ導くとともに、前記円形送受波器で受波された水中ターゲットからの反射波による反射波電気信号を受信系へ導く方向付け回路
（ニ） 受信系にあって、前記反射波電気信号を受けると、そのうち周波数が高い方の信号を通過させる高周波通過フィルタ
（ホ） 同じく受信系にあって、前記反射波電気信号を受けると、そのうち周波数が低い方の信号を通過させる低周波通過フィルタ
（ヘ） 前記高周波通過フィルタの出力と前記低周波通過フィルタの出力とを受けて両出力の振幅差を出力する振幅差検出器
（ト） 前記円形送受波器における高い周波数での幅狭指向性パターンと低い周波数での幅広指向性パターンにおいて、指向中心軸に対する任意の指向角と、その指向角における幅狭指向性パターンでの振幅値と幅広指向性パターンでの振幅値との差との既知の対応関係に基づいて、実際に、水中ターゲットから高い周波数で受波された振幅と低い周波数で受波された振幅との差から、前記水中ターゲットの、前記指向中心軸を基準とした指向角度を抽出するターゲット指向角度抽出器
（チ） 前記ターゲット指向角度抽出器からターゲット指向角度信号を受けて、ソナー方程式によりターゲットストレングスＴ_Ｓを算出するＴ_Ｓ算出器

本発明の第２の構成は、前記第１の構成の（ヘ）を下記（リ）に、同じく（ト）を下記（ヌ）に置換したことを特徴とする計量魚群探知機である。
（リ） 前記高周波通過フィルタの出力と前記低周波通過フィルタの出力とを受けて両出力の振幅比を出力する振幅比検出器
（ヌ） 前記円形送受波器における高い周波数での幅狭指向性パターンと低い周波数での幅広指向性パターンにおいて、指向中心軸に対する任意の指向角と、その指向角における幅狭指向性パターンでの振幅値と幅広指向性パターンでの振幅値との比との既知の対応関係に基づいて、実際に、水中ターゲットから高い周波数で受波された振幅と低い周波数で受波された振幅との比から、前記水中ターゲットの、前記指向中心軸を基準とした指向角度を抽出するターゲット指向角度抽出器

本発明は、近年、超音波送受波器の周波数帯域が広くなったことに着眼し、且つ、超音波送受波器は使用周波数が高くなるほど指向性ビームの幅は狭くなり、使用周波数が低くなるほど指向性ビームの幅が広くなるとい点に着眼したものである。
本発明の送信機は、高い周波数の超音波パルス電気信号と低い周波数の超音波パルス電気信号を時間的に重ならないように前後させた超音波電気信号パルス組を定められた周期で送信する。送信された電気信号は、送受の方向付け回路を経て円形の送受波器に加えられる。円形であることによって、その指向特性は、立体的には、図４の指向中心軸６４を中心にして３６０度回転させたものとなる。
送受波器は周波数が高いパルスのときには指向幅の狭い指向性ビームで送波し、周波数が低いパルスのときには指向幅の広い指向性ビームで、超音波を水中へ送波することになる。

これは、水中のターゲットから反射されて戻って来た超音波パルスを受波するときも周波数の高い方の反射波は幅狭指向性ビームで受波され、周波数の低い方の反射波は幅広指向性ビームで受波される。受波され電気信号になった両受波信号は方向付け回路へ進みここで受信系の方へ導かれ、受信系には、高い周波数の受波信号を通過させる高周波通過フィルタと、低い周波数の受波信号を通過させる低周波通過フィルタが設けられているので、受波信号は高い周波数の受波信号と低い周波数の受波信号に分けられる。

即ち、指向性幅の狭いビームで受波された信号と指向性幅の広いビームで受波された信号に分けられる。この後は背景技術で述べたように両信号から振幅差又は振幅比検出器で振幅差又は振幅比を求め、それとターゲット指向角度θとの対応表からターゲット指向角度θを求め、これよりソナー方程式によってターゲットストレングスＴ_Ｓを求める。

以上より、本発明には以下のような効果がある。
第１に、背景技術においては、送受波器の振動子群を２つの領域に区分して、励振および受波を別々に行わなければならないため振動子の配列構造および配線の張り廻しが複雑になるのに対し、本願発明では全体で１つの励振および受波でよく簡単である。
第２に、背景技術では方向付け回路が２つ必要であったのに対し、本願発明では１つでよい。

第３に、背景技術では、送受波器の２つの領域の受波信号を合成するための合成器が必要であるが本願発明では不要である。
第４に、背景技術では受信系の増幅器は、方向付け回路の受信出力に入れるにしても、振幅差又は振幅比検出器の前に入れるにしても２つ必要であるのに対し、本願発明では方向付け回路の出力側に１つ入れるだけでよい。

他方、本願発明においては、送信周波数を高低２波のパルス組を生成するための回路および受信系に高周波通過フィルタと低周波通過フィルタという、背景技術では用いていない、回路や、部品が必要となるが、これらは実現の難易性、複雑性、価格、構造寸法、保守点検の難易性、安定性等については問題はなく、前記第１〜第４の総合利点を減殺するものではない。

本発明の計量魚群探知機の実施例の構成を示すブロック図である。 送波パルスを示す図であり、（ａ）は本発明の送波パルス、（ｂ）は従来装置の送波パルスである。 従来の計量魚群探知機の構成を示すブロック図である。 送受波器の広ビームと狭ビームの指向特性図において指向角θにおけるターゲットからの受波レベルを示す図である。

本発明は、受波最大方向（中心軸方向）およびその方向での受波レベルを同じくする広・狭２つの受波ビームの指向特性から、実用上使用される範囲に渡って各指向方向における広ビームでの受波レベルと狭ビームでの受波レベルを算出し、両者の差又は比を求め、予め指向方向対受波レベル差又は指向方向対受波レベル比の対応関係を求めて把握しておき、実際に広・狭２つの受波ビームで或るターゲットを受波したときの受波レベルの差又は比を求め前記予め求めておいた対応関係に当て嵌めて当該ターゲットの方向θを知り、このθによってソナー方程式からターゲットストレングスＴ_Ｓを求めると言う点では従来の背景技術と同様である。

本発明が、従来の背景技術と異なる点は、広・狭２つの受波ビームを形成する仕方が異なる点にある。
本発明では、送受波器は、従来技術のように領域区分をすることなく、送波も受波も全一体で行われる。
これに対して、送信機は従来のように、同一周波数の送信出力ではなく、高い周波数の超音波パルス電気信号と低い周波数の超音波パルス電気信号を時間的に重ならないように前後させて送信させ、送受波器が高い周波数で指向ビーム幅が狭く、低い周波数では指向ビーム幅が広くなると言う特性に着眼して、時間差的に狭い指向性ビームと広い指向性ビームを形成させ、同一ターゲットから広いビームによる受波信号と狭ビームによる受波信号を得るようにし、こうして受波された信号を高周波通過フィルタと低周波通過フィルタの並列回路へ入力させ、高周波通過フィルタでは高い周波数の受波信号を通過させることにより、狭ビームで受波された信号を出力させ、低周波通過フィルタでは低い周波数の受波信号を通過させることにより、広ビームで受波された信号を出力させ、それぞれ狭ビームでの受波信号および広ビームでの受波信号を得られるようにしている。

こうして、狭ビームによる受波レベルと広ビームによる受波レベルを得ることができ、これらの差或いは比を求め、予め知られている差或いは比とターゲット指向角との対応表により反射ターゲットの指向角を知ることができ、その後は従来通りの手法によりターゲットストレングスを算出できるというものである。

以下、本発明の実施例を図面を参照して説明する。
図１は、本発明の実施例を示すブロック図である。送信機１は図２の（ａ）に示すような高い周波数ｆ_Ｈの高周波数パルスＰ_Ｈと低い周波数ｆ_Ｌの低周波数パルスＰ_Ｌを時間的に重ならないように前後させた超音波周波電気信号パルス組を定められた周期Ｔで出力する。出力されたパルス信号は、方向付け回路２を経由して円形の送受波器３に印加され、パルス状の超音波となって水中へ送波される。送受波器の指向性パターンは低い周波数ｆ_Ｌでは広ビームの指向性パターンとなり、高い周波数ｆ_Ｈでは狭ビームの指向性パターンとなる。

送波された超音波パルスは、水中で魚などのターゲットに当ると反射され反射波の一部が送受波器３へ戻って来て受波され、電気信号に変換されて方向付け回路２へ送られる。方向付け回路２では送受波器３からの信号は、送信機１の方へは行かず、受信増幅器４の方へ向かう。受信増幅器４で増幅された信号は、高周波通過フィルタ５と低周波通過フィルタ６に入力され、高周波通過フィルタ５では高い周波数ｆ_Ｈの信号を通過させ、低周波通過フィルタ６では低い周波数ｆ_Ｌの信号を通過させる。前述のように高い周波数では送受波器の指向性パターンは狭ビームとなっているので、高周波通過フィルタ５の出力は狭ビームで送受波されたときの受波レベルということになる。同様に低い周波数では送受波器の指向性パターンは広ビームとなっているので低周波通過フィルタ６の出力は広ビームで送受波されたときの受波レベルということになる。

こうして狭ビームによる受波信号と広ビームによる受波信号はともに振幅差又は振幅比検出器７に入力され、広狭両信号の振幅差又は振幅比が検出される。
検出された振幅差信号又は振幅比信号はターゲット指向角度θ抽出器８へ入力される。ターゲット指向角度θ抽出器８では、予め送受波器の指向性パターンにおける指向中心軸を基準とした様々な角度θについて、狭ビームで送受波したときの受波レベルと、広ビームで送受波したときの受波レベルとの差又は比を算出し、角度θと差又は比との対応表を有している。

従って、受波レベルの差又は比を入力すれば、その差又は比に対応する角度θが抽出されることになる。
従って、ターゲットの存在する方向が送受波器の指向性パターン上角度θの方向であることが分かることになる。θが分かれば送受波器の指向性関数（数式１のＤ（θ））の値が定まり、前記数式１のソナー方程式によりターゲットストレングスＴ_Ｓを算出できることになる。図１のＴ_Ｓ算出器９はθの情報を得て、この算出を行っているものである。

１ 送信機
２ 方向付け回路
３ 送受波器
４ 受信増幅器
５ 高周波通過フィルタ
６ 低周波通過フィルタ
７ 振幅差又は振幅比検出器
８ ターゲット指向角度θ抽出器
９ Ｔ_Ｓ算出器
５１ 送受波器
５１ａ、５１ｂ 送受波器の部分
５２ 方向付け回路
５３ 方向付け回路
５４ 送信機
５５ 合成器
５６ 受信増幅器
５７ 受信増幅器
５８ 振幅差又は振幅比検出器
５９ ターゲット指向角度θ抽出器
６０ Ｔ_Ｓ算出器
６１ 超音波周波電気信号パルス
６２ 広ビーム
６３ 狭ビーム
６４ 指向中心軸
６５ ターゲット
Ａ_Ｎ 狭ビーム受波レベル
Ａ_Ｗ 広ビーム受波レベル
θ ターゲット指向角
Ｐ_Ｈ 高周波数パルス
Ｐ_Ｌ 低周波数パルス

Claims (2)

1. 下記の各手段を具備することを特徴とする計量魚群探知機。
   （イ） 高い周波数の超音波パルス電気信号と低い周波数の超音波パルス電気信号を時間的に重ならないように前後させた超音波周波電気信号パルス組を定められた周期で送信する送信機
   （ロ） 前記高い周波数では幅狭指向性パターンを形成し、前記低い周波数では幅広指向性パターンを形成し、前記送信機から送信された前記超音波周波電気信号パルスを超音波パルスとして水中へ送波し、水中ターゲットからの反射波を受波して反射波電気信号として出力する円形送受波器
   （ハ） 送信機から送信された超音波周波電気信号パルスを前記送受波器へ導くとともに、前記円形送受波器で受波された水中ターゲットからの反射波による反射波電気信号を受信系へ導く方向付け回路
   （ニ） 受信系にあって、前記反射波電気信号を受けると、そのうち周波数が高い方の信号を通過させる高周波通過フィルタ
   （ホ） 同じく受信系にあって、前記反射波電気信号を受けると、そのうち周波数が低い方の信号を通過させる低周波通過フィルタ
   （ヘ） 前記高周波通過フィルタの出力と前記低周波通過フィルタの出力とを受けて両出力の振幅差を出力する振幅差検出器
   （ト） 前記円形送受波器における高い周波数での幅狭指向性パターンと低い周波数での幅広指向性パターンにおいて、指向中心軸に対する任意の指向角と、その指向角における幅狭指向性パターンでの振幅値と幅広指向性パターンでの振幅値との差との既知の対応関係に基づいて、実際に、水中ターゲットから高い周波数で受波された振幅と低い周波数で受波された振幅との差から、前記水中ターゲットの、前記指向中心軸を基準とした指向角度を抽出するターゲット指向角度抽出器
   （チ） 前記ターゲット指向角度抽出器からターゲット指向角度信号を受けて、ソナー方程式によりターゲットストレングスＴ_Ｓを算出するＴ_Ｓ算出器
2. 請求項１の（ヘ）を下記（リ）に、同じく（ト）を下記（ヌ）に置換したことを特徴とする計量魚群探知機。
   （リ） 前記高周波通過フィルタの出力と前記低周波通過フィルタの出力とを受けて両出力の振幅比を出力する振幅比検出器
   （ヌ） 前記円形送受波器における高い周波数での幅狭指向性パターンと低い周波数での幅広指向性パターンにおいて、指向中心軸に対する任意の指向角と、その指向角における幅狭指向性パターンでの振幅値と幅広指向性パターンでの振幅値との比との既知の対応関係に基づいて、実際に、水中ターゲットから高い周波数で受波された振幅と低い周波数で受波された振幅との比から、前記水中ターゲットの、前記指向中心軸を基準とした指向角度を抽出するターゲット指向角度抽出器
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   

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