JP2022039668A - ソーナー装置、海面残響検出方法とプログラム - Google Patents

Abstract

【課題】目標エコーと海面残響の特徴の違いを検出し両者を識別して処理表示可能とする。【解決手段】ソーナー装置は、複数の受信ビームの受信レベルの時間変化率に基づき海面残響の開始点を検出し、前記複数の受信ビームの受信レベルの前記時間変化率の分散に基づき、前記海面残響の終了点を検出する検出部を備える。【選択図】図２

Description

本発明は、ソーナー装置、海面残響検出方法とプログラムに関する。

アクティブソーナーは、送受波器を用いて海中に音波を送波し、物体から反射してくる音波を受波する。受波信号には、目標から反射した音波とともに、海中からの反響音が含まれる。海中からの反響音には、海水中の微粒子、海面や海底など様々なものからの散乱や反射が無数に重畳されている。これらの反響音のように、音波を送波後に繰り返される反射や散乱の結果として空間に持続する音のことを「残響」と呼ぶ。残響の中でも近距離における海面からの反響音（以下、「海面残響」という。）は、処理結果表示上の近距離の視認性を悪化させるという問題がある。

アクティブソーナーにおいて、目標エコーの受波信号は、目標エコーを受波していない場合と比較して、受波信号レベルの時間的変化率が大きい。そのため、ソーナー表示では、受波信号レベルの時間的変化率が大きい受波信号を抽出する処理を行い、処理結果の表示に反映させている。

近距離における海面残響は、目標エコーと同様に、受波信号レベルの時間的変化率が大きい。このため、海面残響は、受波信号から、目標エコーと同様に、抽出される。その結果、海面残響は近距離の視認性を悪化させる要因となっていた。

特許文献１には、地図上の位置における海底の深度を表す海底深度データと海底の障害物の位置を表す海底障害物データとを基に、音波の反射が起こりやすい海底地形が存在する海域を検出除去海域として抽出し、レベルがあらかじめ設定されている閾値を越えている受波信号をエコー信号として検出し、検出されたエコー信号のうち検出除去海域にて反射したエコー信号を、残響として除去する構成が開示されている。海底深度画像データを基に勾配の急峻さ（微係数）を計算し、計算された微係数とあらかじめ設定された閾値を比較し、閾値を越えている海域を海底勾配海域として抽出する。

なお、特許文献２には、（ａ）音響パルス波を外部に放射し、（ｂ）一対のアレイ受波器がそれぞれ有する複数の音響センサが受信した外部の音に基づいて整相処理を行い、整相方位毎にスプリットビーム信号を一対作成し、作成したスプリットビーム信号と音響パルス波の信号との相関演算処理を行い整相方位毎にレプリカ相関信号を一対作成し、（ｃ）作成した前記レプリカ相関信号に基づいて、前記レプリカ相関信号のパワーの瞬時値を整相方位毎に算出し、また、整相方位毎に、一対の前記レプリカ相関信号間の位相差を算出し、（ｄ）前記レプリカ相関信号間の位相差に基づいて、前記レプリカ相関信号のパワーの瞬時値を重みとする重み付きの分散値を整相方位毎に算出して、重み付きの分散値信号を生成し、前記分散値に基づいて検出信号を作成するアクティブソーナーが開示されている。このアクティブソーナーは、対象目標による音響パルス波の反射音に基づく分散値は小さく、残響音に基づく分散値は大きくなることから、分散値が分散値信号判定閾値Ｔdev よりも小さい場合には、対象目標と判定し、検出信号ＦN ＝１を生成し、分散値信号判定閾値Ｔdev 以上の時には、検出信号ＦN ＝０を生成する。

特開２０１４－０４１１３５号公報 特開２００１－０７４８３３号公報

前述したように、受波信号から目標エコーと同様に抽出される海面残響は、近距離の視認性を悪化させる要因となっていた。

視認性向上のために、目標エコーと海面残響の特徴の違いを検出し、両者を識別して処理表示することが求められる。

本発明は、上記課題を解決するために創案されたものであって、その目的は、目標エコーと海面残響の特徴の違いを検出し両者を識別して処理表示可能とする装置、方法、プログラムを提供することにある。

本発明の一形態によれば、複数の受信ビームの受信レベルの時間変化率に基づき海面残響の開始点を検出し、前記複数の受信ビームの受信レベルの前記時間変化率の分散に基づき、前記海面残響の終了点を検出する海面残響検出部を備えたソーナー装置が提供される。

本発明の一形態によれば、ソーナーにおける海面残響の検出方法であって、複数の受信ビームの受信レベルの時間変化率に基づき海面残響の開始点を検出し、前記複数の受信ビームの受信レベルの前記時間変化率の分散に基づき、前記海面残響の終了点を検出する、検出方法が提供される。

本発明の一形態によれば、ソーナー装置のプロセッサに、複数の受信ビームの受信レベルの時間変化率に基づき海面残響の開始点を検出する第１の処理と、前記複数の受信ビームの受信レベルの前記時間変化率の分散に基づき、前記海面残響の終了点を検出する第２の処理を、実行させるプログラムが提供される。本発明によれば、上記プログラムを記憶する、ROM(Read Only Memory)、又はRAM(Random Access Memory)、又は、EEPROM(Electrically and Erasable Programmable Read Only Memory)、HDD(Hard Disk Drive)、CD(Compact Disc)、又はDVD(Digital Versatile Disc)等の半導体ストレージのような非一時的な記録媒体が提供される。

本発明によれば、目標エコーと海面残響の特徴の違いを検出し両者を識別して処理表示可能としている。

（Ａ）、（Ｂ）は、アクティブソーナーのビームの側断面と平面形状を模式的に示す図であり、（Ｃ）はビーム１～Ｎの受波レベルの時間推移を例示する図である。 表示画面の一例を模式的に示す図である。 本発明の一実施形態の構成を説明する図である。 （Ａ）はビーム１～Ｎの受波信号レベルの時間推移を例示する図、（Ｂ）は受波信号レベルの時間変化率の分散の時間推移を例示する図である。 本発明の一実施形態の動作を説明する図である。 本発明の一実施形態を説明する図である。

本発明の実施形態について説明する。図１は、海面残響を説明する図である。図１（Ａ）は、水中（海中）のアクティブソーナーと、受信ビームの側面を模式的に示している。図１（Ｂ）は、図１（Ａ）の水中（海中）のアクティブソーナーと、受信ビームを上から見た場合の平面図を模式的に示している。図１（Ａ）は、図１（Ｂ）のＡ－Ａ’線に沿った断面模式図である。送受波器部は、全周ソーナー（全周型スキャニングソーナー）として構成され、円筒の円周上にアレイ状に送受波器（音響振動素子）を配列し、送信時には全周方向に同時に超音波パルスをビームとして送出する。また、円筒の縦方向の各層の音響振動素子に加える送信周波数の位相をずらせることで垂直方向（俯角、仰角方向）のスキャニングを行うようにしてもよい。受信時には、円周方向の複数個の音響振動素子を組合せて受信ビームを形成する。例えば図１（Ｂ）に示すように、Ｎ本のスプリットビームを全方位３６０°に渡って等方位間隔（３６０°／Ｎ）に設け、音波を捉えたスプリットビームのペア間の位相差から音源の方位（目標方位）を求めるようにしてもよい。１本のスプリットビームは隣接し合う複数（ｎ個）の音響振動素子からの受波信号によって形成される。

水平面方向に無指向性（いずれの方向にも同じレベル）で送波するアクティブソーナーにおいて、目標エコーはある特定のビーム（方位）から受波するのに対し、海面残響は、図１（Ｃ）に示すように、全ビームチャネル（ビームＣＨ）（方位）にて同時に受波される。図１（Ｃ）のｘ軸はビーム（方位）、ｙ軸は時間、ｚ軸は受波信号レベルである。なお、ビームチャネルは、等方位間隔に形成したＮ個の各スプリットビームであってもよい。ただし、スプリットビーム受信方式に制限されるものでないことは勿論である。

全ビーム（ビーム１～Ｎ）で同時に受波するという海面残響の特性から、海面残響を検出する方法として、全ビームの受波信号レベルが閾値以上である場合を海面残響として検出する方法が考えられる。しかし、この方法は、海面残響の検出中に、目標エコーをあるビーム（ある方位）で受波し、受波信号のレベルが変動した場合においても、全ビームの受波信号レベルが閾値以上であることにより、海面残響領域として検出されてしまう。すなわち、目標エコーの検出が困難となる。

次に、海面残響検出中の目標エコーを検出可能とするために、受波信号のレベルによらない検出方法として、時間変化率の分散による検出方法が考えられる。

図１（Ｃ）に示したように、海面残響は全ビームで同時に受波される。このため、海面残響を受波中に緩やかに受波信号レベルが変化する領域において、受波信号レベルの時間的変化率（「勾配」ともいう）の向きと大きさは、全ビームの受波信号で一様となる。

このため、全ビームで同時に受波される海面残響のビーム数分の受波信号レベルの時間変化率の分散値は、各ビームに異なる信号を受波した場合の受波信号レベルの時間変化率の分散値と比較して小さくなる。しかし、海面残響の受波中に緩やかに受波信号レベルが変化する領域以外の領域においては、ビーム毎に異なる信号を受波した場合の受波信号レベルの時間変化率の分散値と区別がつかず、受波信号レベルの時間変化率の分散値から、海面残響の特徴を検出することは困難である。すなわち、受波信号レベルの時間変化率の分散値のみによる検出方法では、最適な海面残響領域の検出は困難である。

視認性向上のためには、目標エコーと海面残響の特徴の違いを検出し、両者を識別して処理表示することが求められる。

本発明の実施形態では、各ビームの受波信号レベルの時間的変化率と、ビーム数分の時間的変化率の分散値により、各ビームの受波信号レベルの大きさによらずに、海面残響を検出する。

複数のビームの受波信号レベルの時間変化率が共通に上昇する時点を、海面残響の開始点、前記複数のビームの受波信号レベルの時間変化率のビームの個数分の分散値が、予め定められた閾値以下から閾値を超える時点を、海面残響の終了点として、海面残響の検出を行う。

図２は、本実施形態の表示画面の一例を模式的に示す図である。海面残響が表示される処理結果表示に、海面残響と目標エコーを識別して表示することで、目標の視認性を向上させる。

図３は、本発明の実施形態を説明する図である。アクティブソーナー装置１０において、送受波器部１１は、海中に音波を送波し、物体から反射してくる音波を受信する。送受波器部１１は、図１（Ｂ）に示したように、全周ソーナーで構成される。受波信号処理部１２は、例えば、送受波器部１１で受信した受波信号に対して等方位間隔にＮ個のスプリットビームを形成する整相処理等の信号処理を行ってビーム毎の受波信号レベルを算出し、時間変化率算出部１３に供給するようにしてもよい。また、受波信号処理部１２は、上記整相処理に続いて公知の手法によりビームの相関処理等により求めた位相差から目標エコーの方位を算出し距離情報とともに目標エコー情報として処理結果表示部１８に出力するようにしてもよい。

時間変化率算出部１３では、処理結果から海面残響の特性を抽出するために、各ビーム（i番目のビーム ）(i=1,…,N)の受波信号レベルの時間変化率ｘ_i (i=1,…,N)を算出する。

(1)
ここで、ΔV_iはビームiの受波信号レベルの変化量、Δtは時間の変化量である。

時間変化率算出部１３は、算出した時間変化率を分散算出部１４および海面残響始点検出部１５に供給する。

分散算出部１４は、全ビーム数分（Ｎ）の受波信号レベルの時間変化率ｘ_i (i=1,…,N)の分散値ｓを算出する。

(2)
ただし、

(3)

分散算出部１４は、算出した分散値ｓを海面残響終点検出部１６に供給する。

海面残響始点検出部１５は、図４（Ａ）に示すように、全てのビーム１～Ｎにおいて、受波信号レベルの時間変化の向きが上昇する方向となる時点を、海面残響の始まり（始点）として検出する。すなわち、海面残響始点検出部１５は、全てのビームの時間変化率ｘ_i (i=1,…,N)の値が全て正極性（あるいは予め定められた正値以上）となる時点を海面残響始点として処理結果表示部１８に出力する。なお、図４（Ａ）に示すように、海面残響始点で一斉に上昇した全ビーム(i=1,…,N)の受波信号レベルは一定期間高いレベルを保ったのち同時に立ち下がる。

海面残響終点検出部１６は、図４（Ｂ）に示すように、予め定められた海面残響検出用の閾値を用いて、該閾値よりも、式（２）の分散値ｓが大きくなる時までを海面残響として検出する。海面残響の始点と終点の間では、式（２）の分散値ｓは該閾値以下となる。海面残響終点検出部１６は、分散値ｓが閾値を超えた時点を海面残響終点として処理結果表示部１８に出力する。図３において、時間変化率算出部１３、分散算出部１４、海面残響始点検出部１５、海面残響終点検出部１６は、海面残響検出部１７を構成している。なお、全てのビームの時間変化率ｘ_i (i=1,…,N)の値が全て負極性となる（あるいは予め定められた負値以下となる）時点を海面残響終点としてもよい。

処理結果表示部１８では、海面残響を識別可能とする処理(横軸：方位、縦軸：距離)を加えて、表示装置１９に表示する。なお、海面残響の距離は、送受波器部１１からの音響パルスの送信タイミングと海面残響始点のタイミングから算出される。表示装置１９では、図２に模式的に示すような表示が行われる。

本実施形態によれば、水平方向に無指向性で送波するアクティブソーナーシステムにおいて、各ビームの受波信号レベルの大きさによらず、ビーム方向に一律に得られる特性を持つ受波レベルの時間変化率とその分散を、海面残響と目標エコーの類別指標としている。すなわち、本実施形態によれば、全ビームにおける受波レベルの時間変化率とその分散を、海面残響の始点と終点をそれぞれ検出しており、海面残響領域を検出後、検出した海面残響を識別処理して表示することで、目標の視認性を向上させる。

また、本実施形態によれば、海面残響の始点と終点をそれぞれ検出することで、より最適な海面残響領域の検出が可能となる。

本実施形態によれば、各ビームの受波信号レベルの大きさによらず、ビーム方向に一律に得られる特性により、海面残響を検出しており、海面残響検出中に目標エコーを受波した場合においても、目標エコーの検出が可能となる。

受波信号から海面残響を検出後、処理結果表示で目標エコーと海面残響を識別して表示することによって、目標エコーの視認性を向上させることが可能となる。

なお、海底残響も海面残響と同様、反響音が全ビームから同時に受波するという特徴を持つため、本実施形態により、残響検出が可能となる。この場合、図２、図５において、「海面残響」は「海底残響」に読み替えられる。

本実施形態において、海面残響を検出後、処理結果表示にて、海面残響を非表示化してもよいし、あるいは、海面残響の検出マーカーを表示するようにしてもよい。

図６は、本発明の実施形態を説明する図であり、上記した実施形態をコンピュータ装置２０に実装した場合の構成を説明する図である。図６を参照すると、コンピュータ装置２０は、プロセッサ２１と、ＲＡＭ（Random Access Memory）、ＲＯＭ（Read Only Memory）、ＥＥＰＲＯＭ（Electrically Erasable Programmable Read-Only Memory）等の半導体メモリ等のメモリ２２と、表示装置２３と、インタフェース２４（バスインタフェース）を備えている。プロセッサ２１はＤＳＰ（Digital Signal Processor）であってもよい。メモリ２２に格納されたプログラムを実行することで、プロセッサ２１は、図３の各部１２－１８の処理（図５のステップＳ２－Ｓ６）を実行する。表示装置２３は、図３の表示装置１９に対応する。

なお、上記の特許文献１、２の各開示を、本書に引用をもって繰り込むものとする。本発明の全開示（請求の範囲を含む）の枠内において、さらにその基本的技術思想に基づいて、実施形態ないし実施例の変更・調整が可能である。また、本発明の請求の範囲の枠内において種々の開示要素（各請求項の各要素、各実施例の各要素、各図面の各要素等を含む）の多様な組み合わせ乃至選択が可能である。すなわち、本発明は、請求の範囲を含む全開示、技術的思想にしたがって当業者であればなし得るであろう各種変形、修正を含むことは勿論である。

１０ アクティブソーナー装置
１１ 送受波器部
１２ 受波信号処理部
１３ 時間変化率算出部
１４ 分散算出部
１５ 海面残響始点検出部
１６ 海面残響終点検出部
１７ 海面残響検出部
１８ 処理結果表示部
１９ 表示装置
２０ コンピュータ装置
２１ プロセッサ
２２ メモリ
２３ 表示装置
２４ インタフェース

Claims (10)

1. 複数の受信ビームの受信レベルの時間変化率に基づき海面残響の開始点を検出し、前記複数の受信ビームの受信レベルの前記時間変化率の分散に基づき、前記海面残響の終了点を検出する検出部を備えたことを特徴とするソーナー装置。
2. 前記検出部は、前記複数の受信ビームの受信レベルの前記時間変化率が共通に上昇する時点を前記海面残響の開始点とする、ことを特徴とする請求項１記載のソーナー装置。
3. 前記複数の受信ビームの受信レベルの前記時間変化率の分散が、予め定められた閾値以下から前記閾値を超える時点を、前記海面残響の終了点とする、ことを特徴とする請求項１又は２記載のソーナー装置。
4. 前記検出部は、海底残響についても、前記海面残響と同様、前記複数の受信ビームの受信レベルの前記時間変化率に基づき前記海底残響の開始点を検出し、前記複数の受信ビームの受信レベルの前記時間変化率の分散に基づき、前記海底残響の終了点を検出する、ことを特徴とする請求項１記載のソーナー装置。
5. ソーナーにおける海面残響の検出方法であって、
   複数の受信ビームの受信レベルの時間変化率に基づき前記海面残響の開始点を検出し、前記複数の受信ビームの受信レベルの前記時間変化率の分散に基づき、前記海面残響の終了点を検出する、検出方法。
6. 前記複数の受信ビームの受信レベルの前記時間変化率が共通に上昇する時点を前記海面残響の開始点とすることを特徴とする請求項５記載の検出方法。
7. 前記複数の受信ビームの受信レベルの前記時間変化率の分散が、予め定められた閾値以下から前記閾値を超える時点を、前記海面残響の終了点とする、ことを特徴とする請求項５又は６記載の検出方法。
8. ソーナー装置のプロセッサに、
   複数の受信ビームの受信レベルの時間変化率に基づき海面残響の開始点を検出する第１の処理と、
   前記複数の受信ビームの受信レベルの前記時間変化率の分散に基づき、前記海面残響の終了点を検出する第２の処理と、
   を実行させるプログラム。
9. 前記第１の処理は、前記複数の受信ビームの受信レベルの前記時間変化率が共通に上昇する時点を前記海面残響の開始点とする、請求項８記載のプログラム。
10. 前記第２の処理は、前記複数の受信ビームの受信レベルの前記時間変化率の分散が、予め定められた閾値以下から前記閾値を超える時点を、前記海面残響の終了点とする、請求項８又は９記載のプログラム。

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