JP2014157083A

JP2014157083A - Signal processing device, underwater detection system, signal processing method, and program

Info

Publication number: JP2014157083A
Application number: JP2013028205A
Authority: JP
Inventors: Takeji Yamaguchi; 武治山口
Original assignee: Furuno Electric Co Ltd
Current assignee: Furuno Electric Co Ltd
Priority date: 2013-02-15
Filing date: 2013-02-15
Publication date: 2014-08-28
Anticipated expiration: 2033-02-15
Also published as: JP6179973B2

Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a signal processing device, an underwater detection system, a signal processing method, and a program which allow a target being in the vicinity of a seabed to be more distinctly discriminated.SOLUTION: A sonar device 1 transmits an ultrasonic wave into water by a plurality of ultrasonic transducers and receives reception signals from targets F1, F2, and F3 by the plurality of ultrasonic transducers to detect the targets F1, F2, and F3. The sonar device 1 includes a signal processing device. The signal processing device includes a transmission beam control unit and a reception beam forming unit. The transmission beam control unit forms a transmission beam B1 at a depression angle θ. The reception beam forming unit forms a reception beam B2 in a steering direction at a depression angle θon the basis of the reception signals. The depression angle θof the transmission beam B1 is smaller than the depression angle θof the reception beam B2.

Description

本発明は、水中のターゲットを探知するための信号処理装置、水中探知装置、信号処理方法、及びプログラムに関する。 The present invention relates to a signal processing device, an underwater detection device, a signal processing method, and a program for detecting an underwater target.

水中に存在する魚等のターゲットを探知するソナー装置が知られている（例えば、特許文献１参照）。このソナー装置のうち、複数の超音波振動子を有する備えたソナー装置（例えばスキャニングソナー）は、各超音波振動子を振動することで超音波を送信する。超音波パルス送信の際、このソナー装置は、各超音波振動子の送信パルスの位相を調整することで送信ビームを生成する。また、このソナー装置は、送信した超音波の反射波であるエコー信号を、各超音波振動子で受信する。そして、ソナー装置は、マルチビーム法（ビームフォーミング法）、又は超解像法（適応ビームフォーミング法）を用いて受信ビーム出力を生成し、最終的に表示装置の表示画面にＰＰＩ（Plan Position Indicator）画像を表示する。適応ビームフォーミング法として、Ｃａｐｏｎ法、ＥＳＰＲＩＴ法、ＭＵＳＩＣ法、Ｐｒｏｎｙ法等を例示することができる。 A sonar device that detects a target such as a fish existing in water is known (see, for example, Patent Document 1). Among the sonar devices, a sonar device (for example, a scanning sonar) having a plurality of ultrasonic transducers transmits ultrasonic waves by vibrating each ultrasonic transducer. When transmitting an ultrasonic pulse, the sonar device generates a transmission beam by adjusting the phase of the transmission pulse of each ultrasonic transducer. Further, this sonar device receives an echo signal, which is a reflected wave of the transmitted ultrasonic wave, by each ultrasonic transducer. The sonar device generates a received beam output by using a multi-beam method (beam forming method) or a super-resolution method (adaptive beam forming method), and finally displays a PPI (Plan Position Indicator) on the display screen of the display device. ) Display the image. Examples of the adaptive beamforming method include Capon method, ESPRIT method, MUSIC method, and Prony method.

特開平１１−３４４５６６号公報Japanese Patent Application Laid-Open No. 11-344666

ところで、図１５に示すように、例えば魚等の３体のターゲットＦ１，Ｆ２，Ｆ３が海底ＳＢ付近に存在する場合を考える。この場合、船１００に搭載されたソナー装置は、海底ＳＢに向けて送信ビームＢ１０１を送信する。このソナー装置は、一般的なマルチビーム法を用いて受信ビームを形成し、この受信ビームに基づいてＰＰＩ画像を生成する。これにより、ソナー装置の表示装置には、図１６に示すようなＰＰＩ画像が表示される。尚、図１５では、水平面に対する送信ビームＢ１０１の方向、及び受信ビームの方向の何れもが、俯角θ＝θ_１００として設定されている。通常、送信ビームＢ１０１は、俯角θの方向に鋭く、水平方向には無指向である。 By the way, as shown in FIG. 15, consider a case where three targets F1, F2, F3 such as fish are present near the seabed SB. In this case, the sonar device mounted on the ship 100 transmits the transmission beam B101 toward the seabed SB. The sonar device forms a reception beam using a general multi-beam method, and generates a PPI image based on the reception beam. Thereby, a PPI image as shown in FIG. 16 is displayed on the display device of the sonar device. In FIG. 15, the direction of the transmission beam B101 relative to the horizontal plane, and both directions of the receiving beam is set as a depression angle θ = θ _100. Normally, the transmission beam B101 is sharp in the direction of the depression angle θ and omnidirectional in the horizontal direction.

図１６に示すＰＰＩ画像では、ターゲットが明確に識別できないという問題がある。具体的には、図１５及び図１６を参照して、３体のターゲットＦ１，Ｆ２，Ｆ３のエコー信号のうち、海底ＳＢからのエコー信号ＳＳＢ（残響）の影響を最も大きく受けるターゲットＦ３（図１５ではソナー装置から一番遠方に位置するターゲット）のエコー信号が、海底ＳＢからのエコー信号ＳＳＢによってマスクされてしまう。その結果、ＰＰＩ画像では、ターゲットＦ３のエコー像ＦＥ３は、海底ＳＢのエコー像ＳＢＥにマスクされてしまい、エコー像ＳＢＥと識別され難い。これは、ソナー装置からの送信ビームＢ１０１のメインローブが、海底で反射されること等によって、生じる。尚、図解を容易にするため、ＰＰＩ画像を示す全ての図において、ターゲットのエコー像は、丸線ＣＬで囲まれている。丸線ＣＬは、実際のＰＰＩ画像には表示されない。 The PPI image shown in FIG. 16 has a problem that the target cannot be clearly identified. Specifically, referring to FIG. 15 and FIG. 16, among the echo signals of the three targets F1, F2, and F3, the target F3 that is most affected by the echo signal SSB (reverberation) from the seabed SB (see FIG. 15). 15, the echo signal of the target farthest from the sonar device is masked by the echo signal SSB from the seabed SB. As a result, in the PPI image, the echo image FE3 of the target F3 is masked by the echo image SBE of the seabed SB and is difficult to be distinguished from the echo image SBE. This occurs, for example, when the main lobe of the transmission beam B101 from the sonar device is reflected on the seabed. For ease of illustration, the target echo image is surrounded by a circular line CL in all the diagrams showing PPI images. The round line CL is not displayed in the actual PPI image.

図１７は、図１６のＰＰＩ画像を生成する際に送信された送信ビームＢ１０１の送波指向性を示すグラフである。図１７では、θ_１００＝２０°である場合の送波指向性が示されている。 FIG. 17 is a graph showing the transmission directivity of the transmission beam B101 transmitted when generating the PPI image of FIG. FIG. 17 shows the transmission directivity when θ ₁₀₀ = 20 °.

上述した問題に対し、マルチビーム法を用いたソナー装置であれば、俯角θを、θ_１００よりも小さいθ_９９にすることで、海底ＳＢからのエコー信号ＳＳＢの感度を下げることができる。これにより、図１８に示すように、ＰＰＩ画像において、３つのターゲットＦ１，Ｆ２，Ｆ３のエコー像ＦＥ１，ＦＥ２，ＦＥ３と、海底ＳＢのエコー像ＳＢＥとを、比較的明確に識別できる。図１９は、図１８のＰＰＩ画像を生成する際に送信された送信ビームの送波指向性を示すグラフである。図１９では、θ_９９＝１５°である場合の送波指向性が示されている。θ_９９は、θ_１００よりも５°小さい。 To the problems described above, if the sonar apparatus using a multi-beam method, the depression angle theta, by a small theta ₉₉ than theta _100, it is possible to reduce the sensitivity of the echo signal SSB from the seabed SB. Accordingly, as shown in FIG. 18, in the PPI image, the echo images FE1, FE2, and FE3 of the three targets F1, F2, and F3 and the echo image SBE of the seabed SB can be identified relatively clearly. FIG. 19 is a graph showing the transmission directivity of the transmission beam transmitted when generating the PPI image of FIG. FIG. 19 shows the transmission directivity when θ ₉₉ = 15 °. θ ₉₉ is 5 ° smaller than θ ₁₀₀ .

しかしながら、マルチビーム法を用いたソナー装置において、ターゲットのエコー像と、他のエコー像とを、より一層明確に識別できるようにすることが、好ましい。 However, in a sonar device using the multi-beam method, it is preferable to make it possible to more clearly distinguish an echo image of a target from another echo image.

また、図２０に示すように、超解像法を用いるソナー装置において、ターゲットを正確に識別できないという問題が、存在する。図２１は、図２０のＰＰＩ画像を生成する際に送信された送信ビームの送波指向性を示すグラフである。図２１では、θ_１００＝２０°である場合の送波指向性が示されている。 In addition, as shown in FIG. 20, there is a problem that a target cannot be accurately identified in a sonar device using a super-resolution method. FIG. 21 is a graph showing the transmission directivity of the transmission beam transmitted when generating the PPI image of FIG. FIG. 21 shows the transmission directivity when θ ₁₀₀ = 20 °.

図２０及び図２１に示すように、俯角θ＝θ_１００である場合、ＰＰＩ画像には、エコー像ＦＥ１，ＦＥ２は表示される。しかしながら、ＰＰＩ画像において、エコー像ＦＥ３は、海底ＳＢのエコー像ＳＢＥにマスクされてしまい、エコー像ＳＢＥと識別できない。 As shown in FIGS. 20 and 21, when the depression angle θ = θ ₁₀₀ , the echo images FE1 and FE2 are displayed on the PPI image. However, in the PPI image, the echo image FE3 is masked by the echo image SBE of the seabed SB and cannot be distinguished from the echo image SBE.

ここで、超解像法を用いたソナー装置は、俯角θを、θ_１００よりも小さいθ_９９に変更することで、海底ＳＢからのエコー信号ＳＳＢの感度を下げることが考えられる。しかしながら、このようにしても、図２２に示すように、依然として、ＰＰＩ画像でターゲットを明確に表示できない。これは、超解像法を用いた場合、従来のマルチビーム法を用いた場合に比べて分解能が高いことに起因する。即ち、海底ＳＢからのエコー信号ＳＳＢの感度の低下とともにターゲットＦ１，Ｆ２，Ｆ３からのエコー信号の感度も低下することが原因である。尚、図２３は、図２２のＰＰＩ画像を生成する際に送信された送信ビームの送波指向性を示すグラフである。図２３では、θ_９９＝１５°である場合の送波指向性が示されている。 Here, the sonar apparatus using ultrasonic resolution method, the depression angle theta, by changing the small theta ₉₉ than theta _100, it is conceivable to reduce the sensitivity of the echo signal SSB from the seabed SB. However, even in this case, as shown in FIG. 22, the target cannot still be clearly displayed in the PPI image. This is because the resolution is higher when the super-resolution method is used than when the conventional multi-beam method is used. That is, this is because the sensitivity of the echo signals from the targets F1, F2, and F3 also decreases as the sensitivity of the echo signal SSB from the seabed SB decreases. FIG. 23 is a graph showing the transmission directivity of the transmission beam transmitted when generating the PPI image of FIG. In FIG. 23, the transmission directivity when θ ₉₉ = 15 ° is shown.

超解像法を用いた場合に、ターゲットを明確に識別できない原因を、更に詳細に説明する。図２４及び図２５は、超解像法を用いたソナー装置における送波指向性及び受信特性を示すグラフである。尚、図２４及び図２５の横軸は、ソナー装置を中心とした俯角を表している。また、ターゲット（魚）は、俯角＝２０度の位置に設定され、ノイズ（海底）は、俯角＝２５度の位置に設定されている。図２４，図２５では、ソナー装置から俯角θ_１００＝２０°の方向に、ターゲット（魚）が存在している場合が示されている。 The reason why the target cannot be clearly identified when the super-resolution method is used will be described in more detail. 24 and 25 are graphs showing transmission directivity and reception characteristics in a sonar device using the super-resolution method. Note that the horizontal axis of FIGS. 24 and 25 represents the depression angle centered on the sonar device. Further, the target (fish) is set at a depression angle = 20 degrees, and the noise (the sea floor) is set at a depression angle = 25 degrees. 24 and 25 show a case where a target (fish) exists in the direction of the depression angle θ ₁₀₀ = 20 ° from the sonar device.

図２４及び図２５において、グラフＧ１は、送信ビームの特性を示している。また、グラフＧ２は、受信特性（受信ビームの特性）を示している。また、グラフＧ３は、ターゲットからの受信強度を示している。また、グラフＧ４は、海底からの信号強度（ノイズ強度）を示している。 24 and 25, a graph G1 indicates the characteristics of the transmission beam. Further, the graph G2 shows reception characteristics (reception beam characteristics). Further, the graph G3 indicates the reception intensity from the target. Graph G4 shows the signal strength (noise strength) from the seabed.

超解像法は、素子（超音波振動子）の位置及び感度のばらつき等に対して脆弱である。素子にばらつきがある場合、エコー信号強度の弱いターゲットの信号強度が、エコー信号強度の強いノイズの影響により劣化することがある。これを図２４に当てはめると、送受信ビームの送受信方向、すなわち、ステアリング方向上の位置の近傍に強いノイズ（海底）が存在すると、受信特性Ｇ２となることがある。 The super-resolution method is vulnerable to variations in the position and sensitivity of the element (ultrasonic transducer). When the elements vary, the signal strength of the target having a weak echo signal strength may be deteriorated by the influence of noise having a strong echo signal strength. When this is applied to FIG. 24, if there is a strong noise (sea floor) near the position in the transmission / reception direction of the transmission / reception beam, that is, the steering direction, the reception characteristic G2 may be obtained.

これに対して、図２５のように送受信ビームの送受信方向を上方にシフトする、すなわち俯角θを小さくすると、受信特性Ｇ２の信号は、海底ＳＢからのエコー信号ＳＳＢを、受信しないようにできる。しかしながら、この場合、受信ビームのステアリング方向も変更されているため、本来得たい出力の方向とは異なる方向の出力を算出してしまい、正確な出力が得られない。 On the other hand, when the transmission / reception direction of the transmission / reception beam is shifted upward as shown in FIG. 25, that is, the depression angle θ is reduced, the signal of the reception characteristic G2 can be prevented from receiving the echo signal SSB from the seabed SB. However, in this case, since the steering direction of the received beam is also changed, an output in a direction different from the direction of the output desired to be originally obtained is calculated, and an accurate output cannot be obtained.

そこで本発明は、海底付近に存在するターゲットを、より明確に識別することのできる信号処理装置、水中探知装置、信号処理方法、及びプログラムを提供することを目的とする。 Therefore, an object of the present invention is to provide a signal processing device, an underwater detection device, a signal processing method, and a program that can more clearly identify a target existing near the seabed.

（１）上記課題を解決するため、本発明のある局面に係る信号処理装置は、複数の超音波振動子により水中に超音波による送信ビームを送信し、ターゲットからの受信信号を複数の超音波振動子により受信して前記ターゲットを探知する水中探知装置に用いる信号処理装置であって、送信ビーム制御部と、受信ビーム形成部と、を備えている。前記送信ビーム制御部は、前記送信ビームを所定の俯角に設定する。前記受信ビーム形成部は、前記受信信号に基づいて、所定の俯角のステアリング方向に受信ビームを形成する。前記信号処理装置では、前記所定の俯角のステアリング方向に対する探知において前記送信ビームの俯角が前記受信ビームの俯角よりも小さい。 (1) In order to solve the above-described problem, a signal processing apparatus according to an aspect of the present invention transmits a transmission beam using ultrasonic waves into water using a plurality of ultrasonic transducers, and receives a reception signal from a target as a plurality of ultrasonic waves. A signal processing device used in an underwater detection device that detects a target by receiving with a vibrator, and includes a transmission beam control unit and a reception beam forming unit. The transmission beam control unit sets the transmission beam to a predetermined depression angle. The reception beam forming unit forms a reception beam in a steering direction with a predetermined depression angle based on the reception signal. In the signal processing device, the depression angle of the transmission beam is smaller than the depression angle of the reception beam in the detection with respect to the steering direction of the predetermined depression angle.

（２）好ましくは、前記受信ビーム形成部は、前記受信信号の相関行列と、前記超音波振動子に関するステアリングベクトルとを用いて、前記受信ビームを形成する。 (2) Preferably, the reception beam forming unit forms the reception beam using a correlation matrix of the reception signal and a steering vector related to the ultrasonic transducer.

（３）好ましくは、前記受信ビーム形成部は、適応ビームフォーミング法を用いて、前記受信ビームを形成する。 (3) Preferably, the reception beam forming unit forms the reception beam using an adaptive beam forming method.

（４）好ましくは、前記受信ビーム形成部は、複数の前記超音波振動子からの前記受信信号を遅延させ、遅延させた各前記受信信号を合成することによって、前記受信ビームを形成する。 (4) Preferably, the reception beam forming unit forms the reception beam by delaying the reception signals from a plurality of the ultrasonic transducers and combining the delayed reception signals.

（５）好ましくは、前記受信ビーム形成部は、ビームフォーマ法を用いて、前記受信ビームを形成する。 (5) Preferably, the reception beam forming unit forms the reception beam using a beam former method.

（６）好ましくは、前記ステアリング方向が第１の俯角にあるときの前記送信ビームの俯角と前記第１の俯角との角度差は、前記ステアリング方向が前記第１の俯角よりも小さい第２の俯角にあるときの前記送信ビームの俯角と前記第２の俯角との角度差よりも小さい。 (6) Preferably, an angular difference between the depression angle of the transmission beam and the first depression angle when the steering direction is at a first depression angle is a second difference in which the steering direction is smaller than the first depression angle. The angle difference between the depression angle of the transmission beam and the second depression angle when it is at the depression angle is smaller.

（７）上記課題を解決するため、本発明のある局面に係る水中探知装置は、水中のターゲットを探知する水中探知装置であって、前記信号処理装置と、前記複数の超音波振動子と、を備えている。前記超音波振動子は、水中に超音波を送信する。また、前記超音波振動子は、ターゲットからの前記受信信号を受信する。 (7) In order to solve the above problems, an underwater detection device according to an aspect of the present invention is an underwater detection device that detects an underwater target, the signal processing device, the plurality of ultrasonic transducers, It has. The ultrasonic transducer transmits ultrasonic waves into water. The ultrasonic transducer receives the reception signal from the target.

（８）より好ましくは、水中に超音波を送信する前記複数の超音波振動子と前記受信信号を受信する前記複数の超音波振動子が共通している。 (8) More preferably, the plurality of ultrasonic transducers that transmit ultrasonic waves in water and the plurality of ultrasonic transducers that receive the reception signal are common.

（９）上記課題を解決するため、本発明のある局面に係る信号処理方法は、複数の超音波振動子により水中に超音波による送信ビームを送信し、ターゲットからの受信信号を複数の超音波振動子により受信して前記ターゲットを探知する水中探知装置における信号処理方法であって、送信ビーム制御ステップと、受信ビーム形成ステップと、を含む。前記送信ビーム制御ステップは、前記送信ビームを所定の俯角に設定する。前記受信ビーム形成ステップは、前記受信信号に基づいて、所定の俯角のステアリング方向に受信ビームを形成する。前記所定の俯角のステアリング方向に対する探知において前記送信ビームの俯角が前記受信ビームの俯角よりも小さい。 (9) In order to solve the above-mentioned problem, a signal processing method according to an aspect of the present invention transmits an ultrasonic transmission beam into water using a plurality of ultrasonic transducers, and receives a reception signal from a target as a plurality of ultrasonic waves. A signal processing method in an underwater detection apparatus that receives a transducer to detect the target, and includes a transmission beam control step and a reception beam forming step. In the transmission beam control step, the transmission beam is set to a predetermined depression angle. The reception beam forming step forms a reception beam in a steering direction of a predetermined depression angle based on the reception signal. In detection with respect to the steering angle of the predetermined depression angle, the depression angle of the transmission beam is smaller than the depression angle of the reception beam.

（１０）上記課題を解決するため、本発明のある局面に係るプログラムは、複数の超音波振動子により水中に超音波による送信ビームを送信し、ターゲットからの受信信号を複数の超音波振動子により受信して前記ターゲットを探知する水中探知装置のためのプログラムであって、コンピュータに、送信ビーム制御ステップと、受信ビーム形成ステップとを実行させる。前記送信ビーム制御ステップは、前記送信ビームを所定の俯角に設定する。前記受信ビーム形成ステップは、前記受信信号に基づいて、所定の俯角のステアリング方向に受信ビームを形成する。前記所定の俯角のステアリング方向に対する探知において前記送信ビームの俯角が前記受信ビームの俯角よりも小さい。 (10) In order to solve the above-described problem, a program according to an aspect of the present invention transmits a transmission beam using ultrasonic waves into water using a plurality of ultrasonic transducers, and receives a reception signal from a target as a plurality of ultrasonic transducers. Is a program for an underwater detection apparatus that detects the target by receiving the signal, and causes a computer to execute a transmission beam control step and a reception beam forming step. In the transmission beam control step, the transmission beam is set to a predetermined depression angle. The reception beam forming step forms a reception beam in a steering direction of a predetermined depression angle based on the reception signal. In detection with respect to the steering angle of the predetermined depression angle, the depression angle of the transmission beam is smaller than the depression angle of the reception beam.

本発明によれば、海底付近に存在するターゲットを、より明確に識別することができる。 According to the present invention, a target existing near the seabed can be more clearly identified.

本発明の実施形態に係るソナー装置の構成を示すブロック図である。It is a block diagram which shows the structure of the sonar apparatus which concerns on embodiment of this invention. 本発明の実施形態に係るソナー装置が水中を探知する様子を示す斜視図である。It is a perspective view which shows a mode that the sonar apparatus which concerns on embodiment of this invention detects underwater. （ａ）本発明の実施形態に係るソナー装置が、ある一部の方位について水中を探知する様子を示す側面図であり、（ｂ）及び（ｃ）は、それぞれ、送信ビームの俯角と、受信ビームの俯角との関係を説明するための、側面図である。(A) It is a side view which shows a mode that the sonar apparatus which concerns on embodiment of this invention detects underwater about a certain azimuth | direction, (b) and (c) are the depression angle of a transmission beam, and reception, respectively. It is a side view for demonstrating the relationship with the depression angle of a beam. 本発明の実施形態に係るソナー装置における受信ビーム形成部の詳細な構成を示すブロック図である。It is a block diagram which shows the detailed structure of the receiving beam formation part in the sonar apparatus which concerns on embodiment of this invention. 本発明の実施形態に係るソナー装置における水中探知処理の手順の一例を示すフローチャートである。It is a flowchart which shows an example of the procedure of the underwater detection process in the sonar apparatus which concerns on embodiment of this invention. 実施例１において得られたＰＰＩ画像を示す図である。It is a figure which shows the PPI image obtained in Example 1. FIG. 実施例１及び比較例における送信ビームの送波指向性を示すグラフである。It is a graph which shows the transmission directivity of the transmission beam in Example 1 and a comparative example. 実施例２において得られたＰＰＩ画像を示す図である。It is a figure which shows the PPI image obtained in Example 2. FIG. 実施例２及び比較例における送信ビームの送波指向性を示すグラフである。It is a graph which shows the transmission directivity of the transmission beam in Example 2 and a comparative example. 比較例において得られたＰＰＩ画像を示す図である。It is a figure which shows the PPI image obtained in the comparative example. 比較例における送信ビームの送波指向性を示すグラフである。It is a graph which shows the transmission directivity of the transmission beam in a comparative example. ソナー装置における受信ビームと送信ビームとの関係を示すグラフである。It is a graph which shows the relationship between the reception beam and transmission beam in a sonar apparatus. 変形例におけるビーム幅を説明するためのグラフである。It is a graph for demonstrating the beam width in a modification. 変形例におけるビーム幅を説明するためのグラフである。It is a graph for demonstrating the beam width in a modification. 従来のソナー装置において水中を探知する様子を示す側面図である。It is a side view which shows a mode that underwater is detected in the conventional sonar apparatus. 従来のソナー装置が生成したＰＰＩ画像を示す図である。It is a figure which shows the PPI image which the conventional sonar apparatus produced | generated. 図１６のＰＰＩ画像を生成する際に送信された送信ビームの送波指向性を示すグラフである。It is a graph which shows the transmission directivity of the transmission beam transmitted when producing | generating the PPI image of FIG. 従来のソナー装置が送受信ビームのチルト角を小さくして生成したＰＰＩ画像を示す図である。It is a figure which shows the PPI image which the conventional sonar apparatus produced | generated by making the tilt angle of a transmission / reception beam small. 図１８のＰＰＩ画像を生成する際に送信された送信ビームの送波指向性を示すグラフである。It is a graph which shows the transmission directivity of the transmission beam transmitted when producing | generating the PPI image of FIG. 超解像法を用いるソナー装置が生成したＰＰＩ画像を示す図である。It is a figure which shows the PPI image which the sonar apparatus using a super-resolution method produced | generated. 図２０のＰＰＩ画像を生成する際に送信された送信ビームの送波指向性を示すグラフである。It is a graph which shows the transmission directivity of the transmission beam transmitted when producing | generating the PPI image of FIG. 超解像法を用いるソナー装置が送受信ビームのチルト角を小さくして生成したＰＰＩ画像を示す図である。It is a figure which shows the PPI image which the sonar apparatus using a super-resolution method produced | generated by making the tilt angle of a transmission / reception beam small. 図２２のＰＰＩ画像を生成する際に送信された送信ビームの送波指向性を示すグラフである。It is a graph which shows the transmission directivity of the transmission beam transmitted when producing | generating the PPI image of FIG. 超解像法を用いるソナー装置における送波指向性及び受信特性を示すグラフである。It is a graph which shows the transmission directivity and receiving characteristic in the sonar apparatus using a super-resolution method. 超解像法を用いるソナー装置における送波指向性及び受信特性を示すグラフである。It is a graph which shows the transmission directivity and receiving characteristic in the sonar apparatus using a super-resolution method.

以下、本発明を実施するための形態について図面を参照しつつ説明する。尚、以下では、図中同一又は相当部分には同一符号を付してその説明は繰り返さない。 Hereinafter, embodiments for carrying out the present invention will be described with reference to the drawings. In the following, the same or corresponding parts in the drawings will be denoted by the same reference numerals and description thereof will not be repeated.

［ソナー装置の構成］
図１は、本発明の実施形態に係るソナー装置（水中探知装置）１の構成を示すブロック図である。図２は、本発明の実施形態に係るソナー装置１が水中を探知する様子を示す斜視図である。図３（ａ）は、本発明の実施形態に係るソナー装置１が、ある一部の方位について水中のターゲットＦ１，Ｆ２，Ｆ３を探知する様子を示す側面図である。本実施形態のソナー装置１は、例えば、漁船等の船舶に備えられている。以下では、ソナー装置１を備えている船舶を「自船」という。尚、本実施形態では、ソナー装置１としてスキャニングソナーを例に説明する。 [Configuration of sonar device]
FIG. 1 is a block diagram showing a configuration of a sonar device (underwater detection device) 1 according to an embodiment of the present invention. FIG. 2 is a perspective view showing how the sonar device 1 according to the embodiment of the present invention detects underwater. Fig.3 (a) is a side view which shows a mode that the sonar apparatus 1 which concerns on embodiment of this invention detects underwater target F1, F2, F3 about a certain one azimuth | direction. The sonar device 1 of this embodiment is provided in a ship such as a fishing boat, for example. Below, the ship provided with the sonar apparatus 1 is called "own ship". In the present embodiment, a scanning sonar will be described as an example of the sonar device 1.

図１〜図３（ａ）を参照して、ソナー装置１は、自船５０に備えられている。自船５０は、水上で浮いており、水中には、ターゲットＦ１，Ｆ２，Ｆ３が存在している。ターゲットＦ１，Ｆ２，Ｆ３は、例えば、魚である。 With reference to FIG. 1 to FIG. 3A, the sonar device 1 is provided in the ship 50. The own ship 50 floats on the water, and the targets F1, F2, and F3 exist in the water. The targets F1, F2, and F3 are, for example, fish.

本実施形態に係るソナー装置１は、複数の超音波振動子により水中に超音波による送信ビームＢ１を送信し、次いで、水中のターゲット（例えば、Ｆ１，Ｆ２，Ｆ３）からの受信信号を複数の超音波振動子により受信し、上記ターゲットを探知するように構成されている。 The sonar device 1 according to the present embodiment transmits an ultrasonic transmission beam B1 in water using a plurality of ultrasonic transducers, and then receives a plurality of received signals from the underwater targets (for example, F1, F2, F3). The target is received by an ultrasonic transducer and the target is detected.

ソナー装置１は、送受波器２と、送受切替部３と、送信ビーム制御部４と、増幅部５と、Ａ／Ｄ変換部６と、受信ビーム形成部７と、操作・表示装置８と、を備えている。 The sonar device 1 includes a transducer 2, a transmission / reception switching unit 3, a transmission beam control unit 4, an amplification unit 5, an A / D conversion unit 6, a reception beam forming unit 7, and an operation / display device 8. It is equipped with.

送信ビーム制御部４及び受信ビーム形成部７によって、信号処理装置１０が形成されている。尚、ソナー装置１は、操作・表示装置８を備えていなくてもよい。この場合、ソナー装置１は、受信ビーム形成部７から出力したデータを、外部の表示装置で表示させる構成とすることができる。 A signal processing device 10 is formed by the transmission beam control unit 4 and the reception beam forming unit 7. The sonar device 1 may not include the operation / display device 8. In this case, the sonar device 1 can be configured to display the data output from the reception beam forming unit 7 on an external display device.

送受波器２は、超音波を送受信する機能を有し、自船１の船底等に取り付けられている。送受波器２は、例えば、略円筒形状であって、その軸方向が垂直方向に沿い、半径方向が水平方向に沿うように配置されている。 The transducer 2 has a function of transmitting and receiving ultrasonic waves, and is attached to the bottom of the ship 1 and the like. The transducer 2 has, for example, a substantially cylindrical shape, and is arranged such that the axial direction is along the vertical direction and the radial direction is along the horizontal direction.

より具体的には、送受波器２は、略円筒形状の筐体と、この筐体の外周面に取り付けられた複数の超音波振動子と、を有している。各超音波振動子は、超音波を水中に送信するとともに、水中からのエコー信号を受信し、このエコー信号を電気信号に変換することで、受信信号を受信する。このように、本実施形態では、送受波器２において、水中に超音波を送信する複数の超音波振動子と、ターゲットからの受信信号を受信する複数の超音波振動子とは、共通している。尚、水中に超音波を送信する複数の超音波振動子と、受信信号を受信する複数の超音波振動子とは、別個であってもよい。また、送受波器２の形状は特に限定されるものではなく、例えば、球形状等の他の形状でもよい。また、以下の説明では、超音波振動子ごとの送信又は受信の系統をチャネルと称する。 More specifically, the transducer 2 has a substantially cylindrical casing and a plurality of ultrasonic transducers attached to the outer peripheral surface of the casing. Each ultrasonic transducer transmits an ultrasonic wave into the water, receives an echo signal from the water, and converts the echo signal into an electric signal, thereby receiving a reception signal. As described above, in the present embodiment, in the transducer 2, the plurality of ultrasonic transducers that transmit ultrasonic waves in water and the plurality of ultrasonic transducers that receive a reception signal from the target are commonly used. Yes. Note that the plurality of ultrasonic transducers that transmit ultrasonic waves in water and the plurality of ultrasonic transducers that receive reception signals may be separate. The shape of the transducer 2 is not particularly limited, and may be other shapes such as a spherical shape. In the following description, a transmission or reception system for each ultrasonic transducer is referred to as a channel.

送信ビーム制御部４は、送受波器２の各超音波振動子を駆動するために、所定の周波数の正弦波の送信信号を、送受切替部３を介して送受波器２に所定時間出力する。また、送信ビーム制御部４は、チャネルごとに送信信号の位相制御も行う。このように、送信ビーム制御部４が、送信信号の出力を通じて送受波器２の各超音波振動子を駆動させる。これにより、図２に示すような傘状（放射状）の送信ビームＢ１が、送受波器２から水中に送信される。 The transmission beam control unit 4 outputs a sine wave transmission signal having a predetermined frequency to the transducer 2 via the transmission / reception switching unit 3 for a predetermined time in order to drive each ultrasonic transducer of the transducer 2. . The transmission beam control unit 4 also performs phase control of the transmission signal for each channel. In this manner, the transmission beam control unit 4 drives each ultrasonic transducer of the transducer 2 through the output of the transmission signal. Thereby, an umbrella-shaped (radial) transmission beam B1 as shown in FIG. 2 is transmitted from the transducer 2 into the water.

また、送信ビーム制御部４は、所望のステアリング方向Ｄ２よりも上方を向く送信方向Ｄ１に向かう送信ビームＢ１を、送受波器２に送信させる。送信方向Ｄ１は、水平方向に対して、下向きの方向である。このように、送信ビーム制御部４は、受信ビーム形成部７における受信ビームＢ２の受信方向（ステアリング方向Ｄ２）よりも上方の方向に向かう送信ビームＢ１を、送受波器２に送信させる。 In addition, the transmission beam control unit 4 causes the transmitter / receiver 2 to transmit the transmission beam B1 directed in the transmission direction D1 facing upward from the desired steering direction D2. The transmission direction D1 is a downward direction with respect to the horizontal direction. In this manner, the transmission beam control unit 4 causes the transmitter / receiver 2 to transmit the transmission beam B1 that is directed upward from the reception direction (steering direction D2) of the reception beam B2 in the reception beam forming unit 7.

すなわち、送信ビーム制御部４は、送信ビームＢ１の俯角θ_１が、受信ビームＢ２（ステアリング方向Ｄ２）の俯角θ_２よりも小さくなるように、俯角θ_１を設定する。送信ビーム制御部４は、この俯角θ_１を有する送信ビームＢ１を、送受波器２に送信させる。このように、俯角θ_２のステアリング方向Ｄ２に対する探知において、送信ビームＢ１の俯角θ１が、受信ビームＢ２の俯角θ２よりも小さく設定される。尚、俯角θ_１，θ_２は、水平（水面）方向に対する角度であり、チルト角ともいう。 That is, the transmission beam control unit 4, the depression angle theta ₁ of the transmission beam B1 is received beam B2 so as to be smaller than the depression angle theta ₂ of the (steering direction D2), it sets the depression angle theta _1. Transmission beam control unit 4, the transmission beam B1 having the depression angle theta _1, is transmitted to the transducer 2. Thus, in detection for steering direction D2 depression angle theta _2, the depression angle θ1 of the transmission beams B1 is set smaller than the depression angle θ2 of the receive beam B2. The depression angles θ ₁ and θ ₂ are angles with respect to the horizontal (water surface) direction and are also referred to as tilt angles.

ここで、送信ビーム制御部４は、受信ビームＢ２のサイドローブを低減させるように俯角θ_１，θ_２を調整して送受波器２に送信ビームＢ１を送信させることが好ましい。送信ビーム制御部４は、送受波器２の各超音波振動子が送信するパルスの振幅及び位相を制御することによって、送信ビームの送信方向Ｄ１を制御することができる。また、図３（ａ）は、側面視における、ある一方位の送受信ビームＢ１，Ｂ２を示しているけれども、実際には図２に示すように、平面視で自船５０の周囲の全方位に、送受信ビームＢ１，Ｂ２が形成される。 Here, the transmission beam control unit 4 preferably adjusts the depression angles θ ₁ and θ ₂ so as to reduce the side lobe of the reception beam B 2 and causes the transmitter / receiver 2 to transmit the transmission beam B 1. The transmission beam control unit 4 can control the transmission direction D1 of the transmission beam by controlling the amplitude and phase of the pulse transmitted by each ultrasonic transducer of the transducer 2. Further, FIG. 3A shows a certain one-side transmission / reception beam B1 or B2 in a side view, but in actuality, as shown in FIG. Transmit / receive beams B1 and B2 are formed.

図３（ｂ）及び図３（ｃ）は、それぞれ、送信ビームＢ１の俯角θ_１と、受信ビームＢ２の俯角θ_２との関係を説明するための、側面図である。図１、図３（ｂ）及び図３（ｃ）を参照して、ステアリング方向Ｄ２が第１の俯角θ_２１にあるときの、送信ビームＢ１の俯角θ_１１と第１の俯角θ_２１との角度差は、角度差（θ_２１−θ_１１）である。また、ステアリング方向Ｄ２が第１の俯角θ_２１よりも小さい第２の俯角θ_２２にあるときの、送信ビームＢ１の俯角θ_１２と第２の俯角θ_２２との角度差は、角度差（θ_２２−θ_１２）である。本実施形態では、角度差（θ_２１−θ_１１）は、角度差（θ_２２−θ_１２）よりも小さい｛角度差（θ_２１−θ_１１）＜角度差（θ_２２−θ_１２）｝。 FIGS. 3 (b) and. 3 (c), respectively, the depression angle theta ₁ of the transmit beam B1, for explaining the relationship between the depression angle theta ₂ of the receive beam B2, is a side view. 1, with reference to FIG. 3 (b) and FIG. 3 (c), the when the steering direction D2 is in the first depression angle theta _21, the depression angle theta ₁₁ transmit beam B1 of the first depression angle theta ₂₁ The angle difference is an angle difference (θ ₂₁ −θ ₁₁ ). Also, when the steering direction D2 is in the first second depression angle theta ₂₂ smaller than the depression angle theta _21, the angular difference between the depression angle theta ₁₂ transmit beam B1 and the second depression angle theta _22, the angle difference (theta ₂₂ −θ ₁₂ ). In the present embodiment, the angle difference (θ ₂₁ −θ ₁₁ ) is smaller than the angle difference (θ ₂₂ −θ ₁₂ ) {angle difference (θ ₂₁ −θ ₁₁ ) <angle difference (θ ₂₂ −θ ₁₂ )}.

再び図１〜図３（ａ）を参照して、送受切替部３は、送信ビーム制御部４からの送信信号を送受波器２に出力するとともに、送受波器２からの受信信号を増幅部５に出力する。増幅部５は、送受波器２から送られてきた、チャネルごとの受信信号を増幅処理する。 Referring to FIGS. 1 to 3A again, the transmission / reception switching unit 3 outputs the transmission signal from the transmission beam control unit 4 to the transducer 2 and amplifies the reception signal from the transducer 2. 5 is output. The amplification unit 5 amplifies the received signal for each channel sent from the transducer 2.

Ａ／Ｄ変換部６は、増幅部５によって増幅されたチャネルごとの受信信号をＩＱ検波等によりアナログ信号から複素ディジタル信号に変換し、この複素ディジタル信号を受信ビーム形成部７に出力する。詳細には、Ａ／Ｄ変換部６は、各チャネルの受信信号を、所定のサンプリング周期で、送信信号の周波数と同じ周波数の内部的な正弦波信号の第１位相と、この第１位相と９０度だけ位相の異なる第２位相とでサンプリングする。そして、Ａ／Ｄ変換部６は、サンプリングした信号を受信ビーム形成部７へ順次出力する。 The A / D conversion unit 6 converts the reception signal for each channel amplified by the amplification unit 5 from an analog signal to a complex digital signal by IQ detection or the like, and outputs this complex digital signal to the reception beam forming unit 7. Specifically, the A / D converter 6 converts the received signal of each channel into a first phase of an internal sine wave signal having the same frequency as the frequency of the transmission signal at a predetermined sampling period, and the first phase. Sampling is performed at a second phase that is different in phase by 90 degrees. Then, the A / D conversion unit 6 sequentially outputs the sampled signals to the reception beam forming unit 7.

尚、第１位相でサンプリングされた信号をＩ信号とし、第２位相でサンプリングされた信号をＱ信号とすると、Ａ／Ｄ変換部６の出力信号からＩ＋ｊＱ（ｊは虚数単位）で表されるＩＱ信号が得られる。 If the signal sampled in the first phase is I signal and the signal sampled in the second phase is Q signal, it is expressed by I + jQ (j is an imaginary unit) from the output signal of the A / D converter 6. An IQ signal is obtained.

受信ビーム形成部７は、Ａ／Ｄ変換部６から出力された複素ディジタル信号に基づき、所定の俯角θ_２のステアリング方向Ｄ２に受信ビームＢ２を形成する。本実施形態では、受信ビーム形成部７は、適応ビームフォーミング法を用いて受信ビームＢ２を形成する。受信ビーム形成部７は、図１及び図４に示すように、相関行列算出部７１と、角度スペクトラム計算部７２と、到来方向及び強度計算部７３と、を有している。 The reception beam forming unit 7 forms the reception beam B2 in the steering direction D2 with a predetermined depression angle θ ₂ based on the complex digital signal output from the A / D conversion unit 6. In the present embodiment, the reception beam forming unit 7 forms the reception beam B2 using the adaptive beam forming method. As shown in FIGS. 1 and 4, the reception beam forming unit 7 includes a correlation matrix calculating unit 71, an angle spectrum calculating unit 72, and an arrival direction and intensity calculating unit 73.

この受信ビーム形成部７及び送信ビーム制御部４は、例えば図示しないＣＰＵ（Central Processing Unit）、ＦＰＧＡ（Field-Programmable Gate Array）及びメモリ等のデバイスで構成される。例えば、ＣＰＵが、メモリからプログラムを読み出して実行することにより、送信ビーム制御部４と、相関行列算出部７１と、角度スペクトラム計算部７２と、到来方向及び強度計算部７３の、各機能を実現できる。尚、以下の説明では、時刻ｔにおける超音波振動子の複素ディジタル信号を、まとめて入力ベクトルＸ（ｔ）で表す。 The reception beam forming unit 7 and the transmission beam control unit 4 are configured by devices such as a CPU (Central Processing Unit), an FPGA (Field-Programmable Gate Array), and a memory (not shown), for example. For example, the CPU implements the functions of the transmission beam control unit 4, the correlation matrix calculation unit 71, the angle spectrum calculation unit 72, and the arrival direction and intensity calculation unit 73 by reading a program from the memory and executing it. it can. In the following description, the complex digital signals of the ultrasonic transducer at time t are collectively expressed as an input vector X (t).

相関行列算出部７１は、入力ベクトルＸ（ｔ）から時刻ｔにおける相関行列Ｒ（ｔ）を算出する。相関行列Ｒ（ｔ）は次の（１）式で与えられる。
Ｒ（ｔ）＝Ｅ［Ｘ（ｔ）Ｘ^Ｈ（ｔ）］ …（１）
ここで、Ｅ［・］は、期待値（アンサンブル平均）を求める操作を表し、Ｈは複素共役転置を表す。アンサンブル平均は、時間平均で代用される。つまり、時刻ｔにおける相関行列Ｒ（ｔ）を求めるにあたり、その前後のサンプリング時刻における入力ベクトルも用いる。一様時間平均の場合、次のようになる。 The correlation matrix calculation unit 71 calculates a correlation matrix R (t) at time t from the input vector X (t). The correlation matrix R (t) is given by the following equation (1).
R (t) = E [X (t) X ^H (t)] (1)
Here, E [•] represents an operation for obtaining an expected value (ensemble average), and H represents a complex conjugate transpose. The ensemble average is substituted by the time average. That is, when obtaining the correlation matrix R (t) at time t, input vectors at sampling times before and after that are also used. In the case of uniform time averaging:

ここで、時間平均の範囲を［ｔ−Ｔ_ｍｉｎ，ｔ＋Ｔ_ｍａｘ］とした。

Here, the range of the time average was set to [t−T _min , t + T _max ].

尚、相関行列Ｒ（ｔ）の時間平均は一様でなく、適当な重みを付けた時間平均でもよい。また時間平均は行わなくてもよい。以降の説明で、相関行列Ｒ（ｔ）の時間平均は行わないこととする。また、特定の時刻における相関行列のみを考えることとし、相関行列と入力ベクトルの引数ｔを省く。 The time average of the correlation matrix R (t) is not uniform and may be a time average with an appropriate weight. In addition, time averaging may not be performed. In the following description, the time average of the correlation matrix R (t) is not performed. Also, only the correlation matrix at a specific time is considered, and the correlation matrix and the input vector argument t are omitted.

角度スペクトラム計算部７２では、例えば、Ｃａｐｏｎ法を用いた数値計算によって、角度スペクトラムＰ（θ）を得る。Ｃａｐｏｎ法は、ステアリングベクトルａ（θ）と、相関行列Ｒと、を用いて、受信ビームＢ２を形成し角度スペクトラムＰ（θ）を算出する。ステアリングベクトルａ（θ）は、アレイ（複数の超音波振動子）の形状によって決まる。尚、Ｃａｐｏｎ法については、公知であるため詳細な説明は省略する。 In the angle spectrum calculation unit 72, for example, an angle spectrum P (θ) is obtained by numerical calculation using the Capon method. In the Capon method, the received beam B2 is formed using the steering vector a (θ) and the correlation matrix R, and the angle spectrum P (θ) is calculated. The steering vector a (θ) is determined by the shape of the array (a plurality of ultrasonic transducers). Since the Capon method is known, detailed description thereof is omitted.

到来方向及び強度計算部７３は、角度スペクトラム計算部７２で計算された角度スペクトラムＰ（θ）の解から、到来波の到来方向と強度とを計算する。計算例として、到来方向及び強度計算部７３は、角度スペクトラムＰ（θ）のピーク（極大値）の位置（方位θ）から到来方向の推定を行う。また、到来方向及び強度計算部７３は、この極大値から到来波の強度を計算する。到来方向及び強度計算部７３は、複数の時刻の入力ベクトルからそれぞれ求まる複数の角度スペクトラムＰ（θ）から、水中断面を示す映像信号を生成する。 The arrival direction and intensity calculation unit 73 calculates the arrival direction and intensity of the incoming wave from the solution of the angle spectrum P (θ) calculated by the angle spectrum calculation unit 72. As a calculation example, the arrival direction and intensity calculation unit 73 estimates the arrival direction from the position (azimuth θ) of the peak (maximum value) of the angle spectrum P (θ). Further, the arrival direction and intensity calculation unit 73 calculates the intensity of the arrival wave from this maximum value. The arrival direction and intensity calculation unit 73 generates a video signal indicating an underwater section from a plurality of angle spectra P (θ) obtained from input vectors at a plurality of times.

操作・表示装置８は、受信ビーム形成部７から出力された映像信号に応じた映像を表示画面に表示する。この操作・表示装置８は、入力キー等の種々の入力手段等を備えており、超音波の送受信、信号処理、又は映像表示に必要な種々の設定又は種々のパラメータ等を入力できるように構成されている。 The operation / display device 8 displays an image corresponding to the image signal output from the reception beam forming unit 7 on the display screen. The operation / display device 8 includes various input means such as an input key, and is configured to input various settings or various parameters necessary for transmission / reception of ultrasonic waves, signal processing, or video display. Has been.

［ソナー装置の動作］
次に、上述したソナー装置１における処理の流れの一例について、図５を参照しつつ説明する。図５は、ソナー装置１における処理の流れの一例を説明するためのフローチャートである。尚、フローチャートを参照して説明する場合には、フローチャート以外の図も適宜参照する。 [Operation of sonar device]
Next, an example of the flow of processing in the sonar device 1 described above will be described with reference to FIG. FIG. 5 is a flowchart for explaining an example of a processing flow in the sonar device 1. In addition, when it demonstrates with reference to a flowchart, figures other than a flowchart are also referred suitably.

図５に示すように、送信ビーム制御部４から送信信号が与えられることで、送受波器２は、ステアリング方向Ｄ２の俯角θ_２よりも小さい俯角θ_１を有する送信方向Ｄ１に向けて、送信ビームＢ１を送信する（ステップＳ１）。詳細には、送信ビーム制御部４は、送信信号を形成して送受波器２の各超音波振動子を駆動させる。これにより、送受波器２は、ステアリング方向Ｄ２よりも上方の送信方向Ｄ１を向く送信ビームＢ１を、送信ビーム制御部４に送信させる。 As shown in FIG. 5, when given the transmission signal from the transmission beam control unit 4, transducer 2 toward the transmission direction D1 with small depression angle theta ₁ than the depression angle theta ₂ of the steering direction D2, transmission The beam B1 is transmitted (step S1). More specifically, the transmission beam control unit 4 forms a transmission signal and drives each ultrasonic transducer of the transducer 2. Accordingly, the transducer 2 causes the transmission beam control unit 4 to transmit the transmission beam B1 that faces the transmission direction D1 above the steering direction D2.

送受波器２は、送信ビームＢ１を送信した後、送信ビームＢ１がターゲットＦ１，Ｆ２，Ｆ３又は海底ＳＢ等によって反射することで生じたエコー信号（反射波）を、受信する（ステップＳ２）。 After transmitting the transmission beam B1, the transmitter / receiver 2 receives an echo signal (reflected wave) generated when the transmission beam B1 is reflected by the targets F1, F2, F3 or the seabed SB (step S2).

次に、ソナー装置１は、受信したエコー信号を基に、受信ビーム生成前処理を実行する（ステップＳ３）。具体的には、まず、送受波器２は、受信したエコー信号を電気信号に変換することで、受信信号を生成する。次に、増幅部５は、受信信号に対して増幅処理を実行する。そして、Ａ／Ｄ変換部６は、受信信号をＩＱ検波等によりアナログ信号から複素ディジタル信号に変換し、この複素ディジタル信号を受信ビーム形成部７に出力する。 Next, the sonar device 1 executes reception beam generation pre-processing based on the received echo signal (step S3). Specifically, the transducer 2 first generates a reception signal by converting the received echo signal into an electrical signal. Next, the amplification unit 5 performs amplification processing on the received signal. Then, the A / D converter 6 converts the received signal from an analog signal to a complex digital signal by IQ detection or the like, and outputs the complex digital signal to the received beam forming unit 7.

続いて、受信ビーム形成部７は、Ａ／Ｄ変換部６から出力された複素ディジタル信号に基づき、走査角度ごとに受信ビームＢ２を形成し、角度スペクトラムＰ（θ）を算出する（ステップＳ４）。より具体的には、受信ビーム形成部７の相関行列算出部７１は、受信信号をデジタル化して得られた入力ベクトルＸを取得する。次に、相関行列算出部７１は、入力ベクトルＸから相関行列Ｒを算出する。続いて、角度スペクトラム計算部７２は、Ｃａｐｏｎ法を用いて、走査角度ごとに受信ビームＢ２を形成し、角度スペクトラムＰ（θ）を算出する。 Subsequently, the reception beam forming unit 7 forms the reception beam B2 for each scanning angle based on the complex digital signal output from the A / D conversion unit 6, and calculates the angle spectrum P (θ) (step S4). . More specifically, the correlation matrix calculation unit 71 of the reception beam forming unit 7 acquires an input vector X obtained by digitizing the reception signal. Next, the correlation matrix calculation unit 71 calculates a correlation matrix R from the input vector X. Subsequently, the angle spectrum calculation unit 72 forms a reception beam B2 for each scanning angle using the Capon method, and calculates an angle spectrum P (θ).

次に、受信ビーム形成部７は、到来方向の推定及び到来波の強度の計算を行う（ステップＳ５）。具体的には、到来方向及び強度計算部７３が、角度スペクトラムＰ（θ）のピーク（極大値）の位置（方位θ）から到来方向を推定する。また、到来方向及び強度計算部７３は、この極大値から到来波の強度を算出する。そして、到来方向及び強度計算部７３は、各入力ベクトルＸについて、必要な範囲で走査を行い、求められた角度スペクトラムＰ（θ）から映像信号を生成する。 Next, the reception beam forming unit 7 performs estimation of the arrival direction and calculation of the intensity of the arrival wave (step S5). Specifically, the arrival direction and intensity calculation unit 73 estimates the arrival direction from the position (azimuth θ) of the peak (maximum value) of the angle spectrum P (θ). Further, the arrival direction and intensity calculation unit 73 calculates the intensity of the arrival wave from the maximum value. Then, the arrival direction and intensity calculation unit 73 scans each input vector X within a necessary range, and generates a video signal from the obtained angle spectrum P (θ).

そして、操作・表示装置８は、受信ビーム形成部７から出力された映像信号に基づき、ＰＰＩ画像を表示画面に表示する（ステップＳ６）。 Then, the operation / display device 8 displays the PPI image on the display screen based on the video signal output from the reception beam forming unit 7 (step S6).

［プログラム］
本実施形態に係るプログラムは、コンピュータに、信号処理装置１０の処理を実行させるプログラムであればよい。このプログラムをコンピュータにインストールし、実行することによって、本実施形態における信号処理装置１０と、信号処理方法と、を実現することができる。この場合、コンピュータのＣＰＵ（Central Processing Unit）は、送信ビーム制御部４、及び受信ビーム形成部７として機能し、処理を行う。なお、信号処理装置１０は、このようにソフトウェアとハードウェアとの協働によって実現されてもよいし、ハードウェアによって実現されてもよい。また、本実施形態に係るプログラムは、ＤＶＤ（Digital Versatile Disc）等の記録媒体に記録された状態で流通されてもよいし、有線又は無線を用いた通信回線によって流通されてもよい。 [program]
The program according to the present embodiment may be a program that causes a computer to execute the processing of the signal processing device 10. By installing and executing this program on a computer, the signal processing device 10 and the signal processing method in the present embodiment can be realized. In this case, a CPU (Central Processing Unit) of the computer functions as the transmission beam control unit 4 and the reception beam forming unit 7 to perform processing. Note that the signal processing device 10 may be realized by cooperation between software and hardware as described above, or may be realized by hardware. Further, the program according to the present embodiment may be distributed in a state where it is recorded on a recording medium such as a DVD (Digital Versatile Disc), or may be distributed via a wired or wireless communication line.

以上説明した本実施形態に係るソナー装置１では、俯角θ_２のステアリング方向Ｄ２に対する探知において、送信ビームＢ１の俯角θ_１は、受信ビームＢ２の俯角θ_２よりも小さい。これにより、ソナー装置１は、海底ＳＢ付近のターゲットを、より正確に識別できる。以下、シミュレーションを用いて、この効果について、より詳細に説明する。 In sonar apparatus 1 according to the present embodiment described above, the detection with respect to the steering direction D2 depression angle theta _2, the depression angle theta ₁ of the transmit beam B1 is smaller than the depression angle theta ₂ of the receive beam B2. Thereby, the sonar apparatus 1 can identify the target near the seabed SB more accurately. Hereinafter, this effect will be described in more detail using simulation.

［シミュレーション］
シミュレーション条件として、軸方向に１２素子、円周方向に２０素子の計２４０素子の超音波振動子を表面に有する、円筒形の送受波器を使用した。受信ビーム（ステアリング方向）の俯角θ_２は１５度、水深は１０ｍ、海底は平坦であるとした。また、送受波器を中心とする俯角が１５度の方向に沿って、送受波器から２０ｍ、２５ｍ、２８ｍの各位置に、−４０ｄＢの強度のターゲット（魚）が配置されているとした。 [simulation]
As a simulation condition, a cylindrical transducer having a total of 240 ultrasonic transducers with 12 elements in the axial direction and 20 elements in the circumferential direction on the surface was used. The depression angle θ ₂ of the reception beam (steering direction) is 15 degrees, the water depth is 10 m, and the sea floor is flat. Further, it is assumed that a target (fish) having an intensity of −40 dB is disposed at each position of 20 m, 25 m, and 28 m from the transducer along a direction where the depression angle with respect to the transducer is 15 degrees.

上記のシミュレーション条件下で、実施例１として、ステアリング方向Ｄ２の俯角θ_２よりも５度上方の俯角θ_１を有する送信方向Ｄ１に送信ビームＢ１を送信する構成を、計算機によって形成した。実施例１で得られたＰＰＩ画像を、図６に示す。図７は、実施例１及び後述する比較例における送信ビームＢ１の送波指向性を示すグラフである。 In the simulation under the above conditions, as in Example 1, a configuration for transmitting the transmission beam B1 to the transmission direction D1 with depression angle theta ₁ of 5 degrees above the depression angle theta ₂ of the steering direction D2, it is formed by the computer. The PPI image obtained in Example 1 is shown in FIG. FIG. 7 is a graph showing the transmission directivity of the transmission beam B1 in Example 1 and a comparative example described later.

また、実施例２として、ステアリング方向Ｄ２よりも１０度上方の送信方向Ｄ１に送信ビームＢ１を送信する構成を、計算機によって形成した。実施例２で得られたＰＰＩ画像を、図８に示す。図９は、実施例２及び後述する比較例における送信ビームＢ１の送波指向性を示すグラフである。比較例として、ステアリング方向Ｄ２と同じ方向に送信ビームを送信する構成を、計算機によって形成した。比較例で得られたＰＰＩ画像を、図１０に示す。図１１は、比較例における送信ビームの送波指向性を示すグラフである。図１１に示す比較例の送波指向性は、図７及び図９において示されている比較例の送波指向性と同一である。 In the second embodiment, the computer is configured to transmit the transmission beam B1 in the transmission direction D1 that is 10 degrees above the steering direction D2. The PPI image obtained in Example 2 is shown in FIG. FIG. 9 is a graph showing the transmission directivity of the transmission beam B1 in Example 2 and a comparative example described later. As a comparative example, a configuration for transmitting a transmission beam in the same direction as the steering direction D2 was formed by a computer. FIG. 10 shows the PPI image obtained in the comparative example. FIG. 11 is a graph showing the transmission directivity of the transmission beam in the comparative example. The transmission directivity of the comparative example shown in FIG. 11 is the same as the transmission directivity of the comparative example shown in FIGS.

図６〜図１１を参照して、実施例１、実施例２、及び比較例の結果から分かるように、送信ビームＢ１の俯角θ_１を、ステアリング方向Ｄ２の俯角θ_２よりも小さくすることで、海底からのエコー信号の影響を低減できる。即ち、実施例１では、ＰＰＩ画像において、各位置のターゲットのエコー像ＦＥ１１，ＦＥ２１，ＦＥ３１は、何れも、海底のエコー像ＳＢＥ１と明確に区別されている。同様に、実施例２では、ＰＰＩ画像において、各位置のターゲットのエコー像ＦＥ１２，ＦＥ２２，ＦＥ３２は、何れも、海底のエコー像ＳＢＥ２と明確に区別されている。一方、比較例では、ＰＰＩ画像において、３つのターゲットのうち、海底から最も遠くに配置されたターゲットのエコー像ＦＥ１３は、海底のエコー像ＳＢＥ３と明確に識別されている。しかしながら、残りの２つのターゲットのエコー像は、エコー像ＳＢＥ３にマスクされてしまい、当該エコー像ＳＢＥ３と区別することができない。 As can be seen from the results of Example 1, Example 2, and Comparative Example with reference to FIGS. 6 to 11, by making the depression angle θ ₁ of the transmission beam B ₁ smaller than the depression angle θ _{2 in the} steering direction D _2. The effect of echo signals from the sea floor can be reduced. That is, in the first embodiment, in the PPI image, the target echo images FE11, FE21, and FE31 at each position are all clearly distinguished from the sea bottom echo image SBE1. Similarly, in Example 2, in the PPI image, the target echo images FE12, FE22, and FE32 at each position are all clearly distinguished from the sea bottom echo image SBE2. On the other hand, in the comparative example, in the PPI image, the echo image FE13 of the target arranged farthest from the sea bottom among the three targets is clearly identified as the sea bottom echo image SBE3. However, the remaining two target echo images are masked by the echo image SBE3 and cannot be distinguished from the echo image SBE3.

尚、図６（実施例１の結果）と図８（実施例２の結果）とを比べると分かるように、送信ビームＢ１のシフト量（θ_２−θ_１）、即ち、送信方向Ｄ１の俯角θ_１とステアリング方向Ｄ２の俯角θ_２との角度差を大きくするほど、ターゲットのエコー像における、海底からのエコー信号の影響を、より低減できる。より具体的には、シフト量（θ_２−θ_１）の大きい実施例２では、エコー像ＳＢＥ２からのエコー像ＦＥ３２の距離が大きい。 As can be seen from a comparison between FIG. 6 (result of the first embodiment) and FIG. 8 (result of the second embodiment), the shift amount (θ ₂ −θ ₁ ) of the transmission beam B1, that is, the depression angle in the transmission direction D1. the larger the angular difference between the depression angle theta ₂ of the theta ₁ and the steering direction D2, in the echo image of the target, the influence of the echo signal from the ocean floor, can be further reduced. More specifically, in Example 2 where the shift amount (θ ₂ −θ ₁ ) is large, the distance of the echo image FE32 from the echo image SBE2 is large.

尚、送信ビームＢ１のシフト量（θ_２−θ_１）を大きくしすぎると、ステアリング方向Ｄ２におけるＳＬ（source level）が低下してしまい、ターゲットのエコー信号の感度が落ちてしまう。このため、送信ビームＢ１のシフト量（θ_２−θ_１）は、ユーザが任意に調整できるパラメータとしてもよい。この場合、送信ビームＢ１をシフトさせることによって低下したターゲットのエコー信号の感度を、ルックアップテーブル等によって自動的に補正するようなアルゴリズムが、ソナー装置１に組み込まれていてもよい。 If the shift amount (θ ₂ −θ ₁ ) of the transmission beam B1 is too large, SL (source level) in the steering direction D2 is lowered, and the sensitivity of the target echo signal is lowered. For this reason, the shift amount (θ ₂ −θ ₁ ) of the transmission beam B1 may be a parameter that can be arbitrarily adjusted by the user. In this case, the sonar device 1 may incorporate an algorithm that automatically corrects the sensitivity of the target echo signal, which has been lowered by shifting the transmission beam B1, using a lookup table or the like.

以上より、ソナー装置１によると、ターゲットについて、より明確な識別が可能となっている。ターゲットのより明確な識別が可能である理由を、以下に更に詳細に説明する。 As described above, according to the sonar device 1, the target can be identified more clearly. The reason why a clearer identification of the target is possible is explained in more detail below.

図１２は、ソナー装置１における受信ビームＢ２と送信ビームＢ１との関係を示すグラフである。図１２において、グラフＧ１は、送信ビームＢ１の特性を示している。また、グラフＧ２は、受信特性（受信ビームＢ２の特性）を示している。また、グラフＧ３は、ターゲットからの受信強度を示している。また、グラフＧ４は、海底ＳＢからの信号強度（ノイズ強度）を示している。 FIG. 12 is a graph showing the relationship between the reception beam B2 and the transmission beam B1 in the sonar device 1. In FIG. 12, a graph G1 shows the characteristics of the transmission beam B1. A graph G2 shows reception characteristics (characteristics of the reception beam B2). Further, the graph G3 indicates the reception intensity from the target. Further, the graph G4 shows the signal intensity (noise intensity) from the seabed SB.

図１２に示すように、ソナー装置１は、送信ビームＢ１の俯角θ_１を、ステアリング方向Ｄ２の俯角θ_２よりも小さくすることで、ノイズ（海底ＳＢからのエコー信号）の受信感度を下げつつ、ステアリング方向Ｄ２に存在するターゲットからのエコー信号のエコー強度を、より正確に計測できる。このように、ステアリング方向Ｄ２は、ターゲットの存在する方向のままにし、送信方向Ｄ１をステアリング方向Ｄ２と異ならせることで、ターゲットからの信号強度が高い状態で、このエコー信号の検出が可能である。この場合、海底ＳＢからのエコー信号は、送信ビームＢ１に関するゼロ点に位置する。よって、海底からのエコー信号がターゲットのエコー信号をマスクすることを、より一層抑制できる。 As shown in FIG. 12, the sonar apparatus 1, the depression angle theta ₁ of the transmit beam B1, is made smaller than the depression angle theta ₂ of the steering direction D2, while reducing the reception sensitivity of the noise (echo signals from the seabed SB) The echo intensity of the echo signal from the target existing in the steering direction D2 can be measured more accurately. In this way, the steering direction D2 is kept in the direction in which the target exists, and the transmission direction D1 is made different from the steering direction D2, so that the echo signal can be detected in a state where the signal intensity from the target is high. . In this case, the echo signal from the seabed SB is located at the zero point related to the transmission beam B1. Therefore, it is possible to further suppress the echo signal from the sea floor from masking the target echo signal.

また、ソナー装置１によると、受信ビーム形成部７は、相関行列Ｒと、ステアリングベクトルａ（θ）とを用いて、受信ビームＢ２を形成する。一例として、受信ビーム形成部７は、適応ビームフォーミング法を用いて、受信ビームＢ２を生成する。このような構成であれば、受信ビームＢ２のビーム幅、即ち分解能を、より狭くすることができる。その結果、受信ビーム形成部７は、複数のターゲットＦ１，Ｆ２，Ｆ３を、より明確に識別できる。仮に、単に送受信ビームＢ１，Ｂ２の俯角θ_１，θ_２を互いに同量だけ小さくした場合、海底ＳＢからのエコー信号の受信感度低下とともに、ターゲットＦ１，Ｆ２，Ｆ３からのエコー信号の受信感度も低下する。特に、適応ビームフォーミング法によって受信ビームＢ２が形成されている場合、この受信感度の低下量が大きいので、ターゲットＦ１，Ｆ２，Ｆ３の検出が、困難となる。しかしながら、前述したように、受信ビームＢ２の俯角θ_２は変化させず、送信ビームＢ１の俯角θ_１を、俯角θ_２より小さくなるようにシフトさせている。これにより、適応ビームフォーミング法で受信ビームＢ２が形成されている場合でも、上述の受信感度の低下を極めて小さくできる。その結果、ソナー装置１は、ターゲットＦ１，Ｆ２，Ｆ３を、より明確に識別できる。 Further, according to the sonar device 1, the reception beam forming unit 7 forms the reception beam B2 using the correlation matrix R and the steering vector a (θ). As an example, the reception beam forming unit 7 generates the reception beam B2 using the adaptive beam forming method. With such a configuration, the beam width of the reception beam B2, that is, the resolution can be further narrowed. As a result, the reception beam forming unit 7 can more clearly identify the plurality of targets F1, F2, and F3. If the included angles θ ₁ and θ ₂ of the transmission / reception beams B ₁ and B ₂ are simply reduced by the same amount, the reception sensitivity of the echo signals from the targets F 1, F 2, and F 3 is reduced as well as the reception sensitivity of the echo signals from the seabed SB descend. In particular, when the reception beam B2 is formed by the adaptive beamforming method, the amount of decrease in the reception sensitivity is large, so that it is difficult to detect the targets F1, F2, and F3. However, as described above, the depression angle θ ₂ of the reception beam B ₂ is not changed, and the depression angle θ ₁ of the transmission beam B ₁ is shifted to be smaller than the depression angle θ ₂ . Thereby, even when the reception beam B2 is formed by the adaptive beam forming method, the above-described decrease in reception sensitivity can be extremely reduced. As a result, the sonar device 1 can more clearly identify the targets F1, F2, and F3.

また、ソナー装置１によると、受信ビーム形成部７は、受信ビームＢ２のサイドローブを低減させるような方向に、送信ビームＢ１を送信させる。これにより、海底ＳＢからのエコー信号は、受信ビーム形成部７で受信され難くなる。よって、海底ＳＢからのエコー信号がターゲットＦ１，Ｆ２，Ｆ３のエコー信号をマスクすることを、より確実に抑制できる。 Further, according to the sonar device 1, the reception beam forming unit 7 transmits the transmission beam B1 in a direction that reduces the side lobe of the reception beam B2. Thereby, the echo signal from the seabed SB is hardly received by the reception beam forming unit 7. Therefore, it can suppress more reliably that the echo signal from seabed SB masks the echo signal of target F1, F2, F3.

また、ソナー装置１によると、送信ビームＢ１の俯角θ_１と受信ビームＢ２の俯角θ_２との関係について、角度差（θ_２１−θ_１１）は、角度差（θ_２２−θ_１２）よりも小さい｛角度差（θ_２１−θ_１１）＜角度差（θ_２２−θ_１２）｝。このような構成により、ソナー装置１は、俯角θに拘わらず、ターゲットＦ１，Ｆ２，Ｆ３を識別する精度の低下を、抑制できる。 Further, according to the sonar apparatus 1, the relationship between the depression angle theta ₁ and the depression angle theta ₂ of the reception beam B2 of the transmission beams B1, the angle difference (θ ₂₁ -θ _11), rather than the angle difference (θ ₂₂ -θ ₁₂₎ Small {angle difference (θ ₂₁ −θ ₁₁ ) <angle difference (θ ₂₂ −θ ₁₂ )}. With such a configuration, the sonar device 1 can suppress a decrease in accuracy of identifying the targets F1, F2, and F3 regardless of the depression angle θ.

また、ソナー装置１によると、送受波器２において、水中に超音波を送信する複数の超音波振動子と、ターゲットからの受信信号を受信する複数の超音波振動子とは、共通している。このような構成により、超音波の発信位置と、受信信号の受信位置とを一致させることができる。その結果、ソナー装置１は、ターゲットを、より正確に探知できる。 Further, according to the sonar device 1, in the transducer 2, a plurality of ultrasonic transducers that transmit ultrasonic waves in water and a plurality of ultrasonic transducers that receive a reception signal from a target are common. . With such a configuration, the transmission position of the ultrasonic wave can be matched with the reception position of the reception signal. As a result, the sonar device 1 can detect the target more accurately.

以上、本発明の実施形態について説明したけれども、本発明はこれらに限定されず、本発明の趣旨を逸脱しない限りにおいて種々の変更が可能である。 As mentioned above, although embodiment of this invention was described, this invention is not limited to these, A various change is possible unless it deviates from the meaning of this invention.

（１）例えば、上記実施形態において、受信ビーム形成部７は、ＭＵＳＩＣ法、ＥＳＰＲＩＴ法、又はＰｒｏｎｙ法等の他の超解像法を用いて、受信ビームを形成してもよい。 (1) For example, in the above-described embodiment, the reception beam forming unit 7 may form the reception beam using another super-resolution method such as the MUSIC method, the ESPRIT method, or the Prony method.

（２）また、上記実施形態では、超解像法を用いて受信ビームを形成する形態を例に説明している。しかしながら、この通りでなくてもよい。例えば、ソナー装置の受信ビーム形成部は、マルチビーム法（ビームフォーマ法）を用いて受信ビームを形成してもよい。マルチビーム法の場合、ディジタル化された受信信号に対して、遅延処理を行うことで、各受信信号の位相を整相する。また、整相された各受信信号に対して、ガウス関数又はハニング窓等によって決定されるウェイト値が乗算される。そして、これらの受信信号が合成されることによって、方位毎に指向性の強い受信信号（受信ビーム）が、生成される。 (2) In the above embodiment, an example in which a reception beam is formed using the super-resolution method is described. However, this need not be the case. For example, the reception beam forming unit of the sonar device may form a reception beam using a multi-beam method (beam former method). In the case of the multi-beam method, the phase of each received signal is phased by performing a delay process on the digitized received signal. Each phased received signal is multiplied by a weight value determined by a Gaussian function or a Hanning window. Then, by combining these reception signals, a reception signal (reception beam) having strong directivity for each direction is generated.

この場合の受信ビームと送信ビームとの関係を、図１３に示す。図１３には、送信ビームの方向を受信ビームの方向に対して上方にシフトした場合の、送受信を含めた合成ビームＢＭ１が、実線で示されている。合成ビームＢＭ１は、ビーム幅Ｗ１を有している。また、図１３には、送信ビームの方向と受信ビームの方向とが同じである場合の、送受信を含めた合成ビームＢＭ２が、破線で示されている。合成ビームＢＭ２は、ビーム幅Ｗ２を有している。ビーム幅Ｗ１は、ビーム幅Ｗ２よりも狭いので、方位分解能が高いことが分かる。尚、角度φ＝（９０−θ）である。このように、送信ビームＢ１の俯角θ_１を受信ビームＢ２の俯角θ_２よりも小さくすることで、マルチビーム法を用いたソナー装置は、ターゲットを、より明確に識別できる。 FIG. 13 shows the relationship between the reception beam and the transmission beam in this case. In FIG. 13, the combined beam BM1 including transmission and reception when the direction of the transmission beam is shifted upward with respect to the direction of the reception beam is indicated by a solid line. The combined beam BM1 has a beam width W1. In FIG. 13, the combined beam BM2 including transmission and reception when the direction of the transmission beam and the direction of the reception beam are the same is indicated by a broken line. The combined beam BM2 has a beam width W2. Since the beam width W1 is narrower than the beam width W2, it can be seen that the azimuth resolution is high. The angle φ = (90−θ). In this way, by making the depression angle θ ₁ of the transmission beam B ₁ smaller than the depression angle θ ₂ of the reception beam B 2, the sonar device using the multi-beam method can identify the target more clearly.

図１４は、図１３の各ビームのうちの、合成ビームＢＭ１，ＢＭ２を抜き出した図である。図１４に示すように、合成ビームＢＭ１は、合成ビームＢＭ２に比べて、サイドローブの極大レベルが低くなっている。このように、合成ビームＢＭ１のサイドローブを低減することができる。尚、送受波器２がリニアアレイを用いて構成されている場合、送信ビームＢ１の俯角θ_１と受信ビームＢ２の俯角θ_２との角度差であるシフト量（θ_２−θ_１）を、合成ビームＢＭ２の第１零点と第２零点との角度幅の半値程度に設定することが好ましい。これにより、ソナー装置は、ステアリング方向の感度を大きく落とすことなく、サイドローブの極大レベルを効果的に低減できる。即ち、サイドローブキャンセラとしての機能を発揮することが可能である。 FIG. 14 is a diagram in which the combined beams BM1 and BM2 are extracted from the beams shown in FIG. As shown in FIG. 14, the combined beam BM1 has a lower sidelobe maximum level than the combined beam BM2. Thus, the side lobe of the combined beam BM1 can be reduced. When the transmitter / receiver 2 is configured using a linear array, a shift amount (θ ₂ −θ ₁ ) that is an angle difference between the depression angle θ ₁ of the transmission beam B ₁ and the depression angle θ ₂ of the reception beam B 2 is expressed as follows: It is preferable to set to about half the angular width between the first zero point and the second zero point of the combined beam BM2. Thereby, the sonar device can effectively reduce the maximum level of the side lobe without greatly reducing the sensitivity in the steering direction. That is, the function as a sidelobe canceller can be exhibited.

（３）また、上記実施形態において、送信方向とステアリング方向との差であるシフト量（θ_２−θ_１）は、固定値であってもよいし、調整可能な値であってもよい。海底の底質が固いほど、海底からのエコー信号の信号強度は高くなるため、例えば、海底からのエコー信号の信号強度を自動的に計測し、この信号強度に合わせて送信ビームのシフト量を調整してもよい。より具体的には、海底からのエコー信号の信号強度が大きいほど、送信ビームのシフト量を大きくしてもよい。その他にも、ステアリング方向が水平方向に近いほど、送信ビームのシフト量を大きくすることもできる。 (3) In the above embodiment, the shift amount (θ ₂ −θ ₁ ), which is the difference between the transmission direction and the steering direction, may be a fixed value or an adjustable value. The harder the seabed, the higher the signal strength of the echo signal from the seabed.For example, the signal strength of the echo signal from the seabed is automatically measured, and the shift amount of the transmission beam is adjusted according to this signal strength. You may adjust. More specifically, the shift amount of the transmission beam may be increased as the signal strength of the echo signal from the seabed is increased. In addition, the shift amount of the transmission beam can be increased as the steering direction is closer to the horizontal direction.

（４）また、送信ビームの俯角は、受信ビームの俯角よりも小さければよく、受信ビームの俯角は、上述の実施形態の例に限定されない。 (4) Further, the depression angle of the transmission beam only needs to be smaller than the depression angle of the reception beam, and the depression angle of the reception beam is not limited to the example of the above-described embodiment.

（５）また、上記実施形態では、送受波器が、円筒状である形態を例に説明した。しかしながら、この通りでなくてもよい。送受波器は、例えば、平面アレイを用いて形成されていてもよい。 (5) Moreover, in the said embodiment, the wave transmitter / receiver demonstrated to the example the form which is cylindrical shape. However, this need not be the case. The transducer may be formed using, for example, a planar array.

（６）また、上記実施形態では、水中探知装置として、ソナー装置を例に説明した。しかしながら、この通りでなくてもよい。例えば、本発明は、魚群探知機等の他の水中探知装置に適用されてもよい。 (6) Moreover, in the said embodiment, the sonar apparatus was demonstrated to the example as an underwater detection apparatus. However, this need not be the case. For example, the present invention may be applied to other underwater detection devices such as a fish finder.

１ソナー装置（水中探知装置）
４送信ビーム制御部
７受信ビーム形成部
１０信号処理装置
Ｂ１送信ビーム
Ｂ２受信ビーム
Ｄ２ステアリング方向
Ｆ１，Ｆ２，Ｆ３ターゲット
θ_１，θ_２俯角 1 Sonar device (underwater detection device)
4 Transmit Beam Control Unit 7 Receive Beam Forming Unit 10 Signal Processing Device B1 Transmit Beam B2 Receive Beam D2 Steering Direction F1, F2, F3 Target θ ₁ , θ ₂ Depression Angle

Claims

A signal processing device used for an underwater detection device that transmits a transmission beam by ultrasonic waves in a plurality of ultrasonic transducers, receives reception signals from a target by a plurality of ultrasonic transducers, and detects the target. ,
A transmission beam control unit for setting the transmission beam to a predetermined depression angle;
A reception beam forming unit that forms a reception beam in a steering direction of a predetermined depression angle based on the reception signal,
The signal processing apparatus according to claim 1, wherein a detection angle of the transmission beam is smaller than a depression angle of the reception beam in detecting the steering angle of the predetermined depression angle.

The signal processing device according to claim 1,
The signal processing apparatus, wherein the reception beam forming unit forms the reception beam using a correlation matrix of the reception signal and a steering vector related to the ultrasonic transducer.

The signal processing device according to claim 1 or 2,
The signal processing apparatus, wherein the reception beam forming unit forms the reception beam using an adaptive beam forming method.

The signal processing device according to claim 1,
The reception beam forming unit forms the reception beam by delaying the reception signals from a plurality of the ultrasonic transducers and synthesizing the delayed reception signals. apparatus.

The signal processing device according to claim 1 or 4, wherein
The signal processing apparatus, wherein the reception beam forming unit forms the reception beam using a beam former method.

A signal processing device according to any one of claims 1 to 5,
The difference between the depression angle of the transmission beam and the first depression angle when the steering direction is at the first depression angle is the difference between the steering angle when the steering direction is at the second depression angle smaller than the first depression angle. Signal device processing characterized by being smaller than an angle difference between a depression angle of a transmission beam and the second depression angle.

An underwater detection device for detecting an underwater target,
A signal processing device according to any one of claims 1 to 6,
A plurality of ultrasonic transducers for transmitting ultrasonic waves in water;
An underwater detection device comprising: the plurality of ultrasonic transducers that receive the reception signals from a target.

The underwater detection device according to claim 7,
The underwater detection device, wherein the plurality of ultrasonic transducers that transmit ultrasonic waves in water and the plurality of ultrasonic transducers that receive the reception signal are common.

A signal processing method in an underwater detection device that transmits a transmission beam by ultrasonic waves in a plurality of ultrasonic transducers, receives a reception signal from a target by a plurality of ultrasonic transducers, and detects the target,
A transmission beam control step of setting the transmission beam to a predetermined depression angle;
A receiving beam forming step for forming a receiving beam in a steering direction of a predetermined depression angle based on the received signal,
The signal processing method according to claim 1, wherein in detecting the steering angle of the predetermined depression angle, the depression angle of the transmission beam is smaller than the depression angle of the reception beam.

A program for an underwater detection device that detects a target by transmitting a transmission beam of ultrasonic waves in water by a plurality of ultrasonic transducers, receiving a reception signal from a target by a plurality of ultrasonic transducers,
On the computer,
A transmission beam control step of setting the transmission beam to a predetermined depression angle;
A reception beam forming step of forming a reception beam in a steering direction of a predetermined depression angle based on the reception signal;
The program according to claim 1, wherein in detecting the steering angle of the predetermined depression angle, the depression angle of the transmission beam is smaller than the depression angle of the reception beam.