JP2505911B2 - 水中音響ソナ―装置および方法 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は、水中音響ソナー装置及びその装置を用いた
水中ターゲットの試験に係る。本発明は特に環境研究に
おける魚密度の試験に適用され得るが、特にそれに限定
されるものではない。

技術的背景 管理規制に適合するには、生物学的研究が水力発電、
原子力発電及び熱発電所の近辺で実施されなければなら
ない。ほとんどの研究では、試験下の各エリアでの魚種
構成と豊富さを決定する原理的手法として用いられる網
かけによって魚が調べられる。網かけ手法に完全さを求
めると、それは多くの人数を要すると共に必ずといって
いいほど魚自体を傷めることになる。水中音響手法はコ
スト上有利で且つ対象を傷つけることのない魚の密度と
分布を調べる別のやり方である。

著しい進歩が魚の管理のために水中音響を用いること
にあって為されてきた。その進歩とは、リアルタイムの
データ収集と解析システムの分野でなされた。別の寄与
は、ターゲット強度の軸から離れたところの修正も可能
にする２重ビームと分割ビームシステムの発展であっ
た。後者のシステムは現在魚の大きさを調べること及び
魚の密度を調べるのに用いられている。これらのシステ
ムが魚の群れが高い密度であるとき魚の密度を評価する
のに用いられ得るかどうかが現在の関心事である。他の
関心事は、魚が異なる方向にある（例えば横対背の様子
及び傾き角）時ターゲット強度と魚の大きさを測る際に
伴なう誤差の存在である。更に、単にターゲット強度に
基づく破片又はくずを魚から識別する能力を市販のソー
ナシステムが有するかは疑問である。魚を識別する必要
性はもし水中音響が遠隔である場合重要である。

本願発明者は、420kHz2重ビームトランスデューサと
時間変化利得アンプを有する音響発信子からなる現在の
水中ソナー装置について調べ、受信信号のかなりのフィ
ルタリングが受信器の中間周波数及び検波段の前に生ず
ることに気付いた。このフィタリングは特に狭いパルス
幅では振幅の損失を有する受信パルスの丸めをもたら
す。加うるに、発信子の選択可能帯域フィルタは0.1ms
のオーダのパルス幅には不適当な10kHzだけの帯域を有
している。

そして現在の装置の欠点はフィルタリングの性質のた
めの価値ある情報の損失からもたらされているというこ
とがわかった。本発明の目的は、受信信号のRF成分を検
波段に至る迄維持しRF成分により与えられる情報を保っ
て高い解像度が得られるような狭いパルス幅の利用を可
能にする水中音響ソーナシステムを提供することであ
る。

本発明は、中間周波と検波段の従来のものを置換えた
広帯域ソナー検出モジュールの使用に基づいている。モ
ジュールは基本的には少なくとも500kHz、好ましくは1.
2MHzの帯域の広帯域アンプからなる。アンプの出力は50
0kHz以下ではない帯域を有する全波広帯域検波器に加え
られる。検波出力は50kHz以下でないカットオフ周波数
を有する能動低域フィルタによりフィルタリングされ
る。

本発明に従う水中ソナー検出装置と魚及び他の水中タ
ーゲットを検出するためのその利用について以下に説明
する。

実施例の説明 次の説明において、本発明に従う水中ソナー装置の使
用が従来の水中ソナー装置のそれと比較される。従来の
装置は、Biosonicsの420kHz2重ビームトランスデューサ
（６度、15度）、時間変化利得アンプを備えた発信子
（Biosonics 101）、トランスデューサ回転子（Biosoni
cs RC）、テープレコーダインタフェース（Biosonics 1
71）、デジタルオーデオテープレコーダ（Sony DTC 100
0）、周波数変調レコーダ（Racal Store 7）、オシロス
コープ（Philips PM 320）、プロッタ（Hewlett−Packa
rd 7046A）、２重ビームプロセッサ（Biosonics ESP 18
1）、PC計算機（AT対応40mB）及びプリンタ（Epson E
X）からなる形式のものである。システム自体は良く知
られているので詳細には述べない。本発明の理解にその
システムの発信子と信号処理段を説明すれば十分と思わ
れる。

第１図は、送・受信機11に結合されその送信中動作す
る２重ビームトランスデューサ10が示され、選択された
パルス幅の音響パルスビームをターゲットに向けてい
る。エコーパルスはトランスデューサによって入力RFパ
ルスに変換される。RFパルスはプリアンプ12で増幅され
それから選択スイッチ15の設定に従って20log R時間変
化利得受信機13（又は40log R時間変化利得受信機1
3′）および20log R帯域フィルタ14（又は40log R帯域
フィルタ14′）を経由して選択可能利得アンプ16へと運
ばれる。アンプ16からのRF信号はブランカ17を経由して
既知方法で局部発振器19による供給のあるミキサ18へと
ゲートされ、その結果のIF信号が選択可能帯域フィルタ
20によりフィルタリングされている。フィルタリングさ
れた出力は全波検波器へ印加され、検波された出力パル
スは低域フィルタ22を通ってデータ処理・記録装置23へ
と送られる。

先に述べたようにこの装置であると、多くの有益な情
報が検波段の前でRF成分のフィルタリングによって失わ
れていまう。本発明はこの欠点を克服した信号処理シス
テムを提供することである。本発明に従う改良されたシ
ステムは第２図に示されているが第１図のシステムと共
通な部分は同じ符号が付されている。

第２図を参照するに、ブランカ17の下流のRF信号は第
１図の部分18、19、20、21及び21を置き換えている広帯
域ソナー検出モジュール24によって受信される。このモ
ジュール24は基本的に広帯域入力アンプ25、広帯域全波
検波器26及び低域フィルタ27とからなる。モジュール24
は、中間段を省き価値ある情報を維持するのに十分に広
い帯域で受信パルスを復調する。もしそうでない場合は
受信のフーリエ高次成分は失われてしまうであろう。モ
ジュール24は第３図でより詳細に説明されている。

第３図を参照すると、モジュール24の入力アンプ25は
好ましくは少なくとも1.2MHzの帯域を有し、その場合に
は420KHz以下のソーナ周波数を受容するだろ。入力アン
プ25の帯域は少なくとも500kHzはなくてはならない。増
幅器25は典型的には20dbの利得を有する。増幅器の出力
は全波検波器26の入力に印加される。検波器26は検波信
号のため50kHzフィルタを合体するよう示されている回
路に接続された２つの集積回路28と29とからなる。検波
器26の出力はフィルタ27に印加されるが、フィルタ27は
50kHzのカットオフ周波数を有する能動低域フィルタで
ある。

改良された装置の動作を従来の装置と比較するために
第４図に示されるタンクにおいて実験が行なわれた。タ
ンクは測定によると、約幅15m、長さ15mおよび深さ1.5m
であった。タンク30は25cmの周囲壁31を構成することに
よって準無響的にされた。具体的なブロックはタンク内
で約１メートルであった。各装置の総ビームトランスデ
ューサ10はタンクの１つの端に位置付けられ、ターゲッ
ト（目標）上の情報は一般にトランスデューサから３な
いし9m以内に得られた。魚を含む実験において、網は音
響ビーム以内に魚を維持するように使用された。水中カ
メラ32と上空カメラ33がターゲットの位置の視覚的記録
を得るために使用された。

実験は、種々の幾何学的形状および異なる魚種を認識さ
せる情報を提供するため従来の装置（第１図）と改良さ
れた装置（第２図）の能力に焦点がしぼられた。実験で
用いられた様々なターゲットを第１表に示す。

第 １ 表 形状 サイズ（cm） ピンポンボール（空気） 3.7直径 ピンポンボール（水で満たされたもの） 3.7直径 複数ピンポンボール（空気） 3.7直径 木製ボール 3.2直径 はがね製ボール 2.5直径＋ スティロフォームボール ＃１ 14.5直径 〃 ＃２ 9.8直径 〃 ＃３ 7.4直径 〃 ＃４ 4.8直径 〃 ＃５ 3.6直径 スティロフォーム卵 11.6長さ 8.4高さ 木製さお ＃１ 1.3直径 ＃２ 1.9直径 ＃３ 1.2直径 バークチップ 不整形 葉っぱ（茎なし） 13.0高さ× 17.8幅 空気のあわ（小さい） 1mm （大きい） 5mm チョウザメ ＃１ 32総長 ＃２ 42総長 ＃３ 50総長 ＃４ 60総長 ＃５ 70総長 ＃６ 80総長 複数チョゥザメ 32−80総長 実験は単一および複数のターゲットの両者を含んでい
た。単一のターゲットはピンポンボール、はがね製ボー
ル、スティロフォームボール、空気のあわ、葉っぱおよ
び他の形状である。いくつかの形状は水入りピンポンボ
ールおよび水なしピンポンボールおよびスティロフォー
ム＃５と直径が類似しており、他のものの形状（例え
ば、空気のあわ、さお、葉っぱ）は非類似である。ここ
における意図は装置が種々のターゲットの反射信号中に
少なくとも定性的に差を示すことができるかどうかを決
定することである。チョウザメ（アシペンサフルベセン
ス）およびウォーライ（大きな目の魚、スティゾステデ
ィオンビドリウム）に集められたデータはモノフィラメ
ントを用いたトランスデューサから約6mにつり下げられ
個々に鎮静された（MS222）魚から記録された。モノフ
ィラメント線は420kHzトランスデューサを用いて検出さ
れるようにはみえなかった。トランスデューサに対し横
方向、前方および45度の両者に位置する魚の反射信号が
記録された。

複数ターゲットの実験はピンポンボールと生きた魚の
みを用いて行なわれた。３つのボールの各々は約10−15
cm離されトランスデューサから３、５、８および9mの位
置に配置された（すなわち、合計12ターゲット）。チョ
ウザメおよびウォーライの試験においては、15ないし20
の異なったサイズの魚がタンクに解放され、檻の領域全
体をランダムに泳ぎまわるようにされた。

単一のおよび複数のターゲット実験の両方は、37.5お
よび7.5cmの空間的分解能にそれぞれ理論的に対応する
0.5msおよび0.1msの伝送パルス幅を含んでいた。これら
予備的な実験において、比較は時間領域プロットとパワ
ースペクトル（高速フーリエ変換FFT）の両方で表現さ
れる２つの方法の間の反射信号からなっている。（６度
のトランスデューサを用いた）両方の伝送パルス幅に対
してテープ録音された時間領域信号がHP7460Aプロッタ
を用いたローカルもしくはDATレコーダのいずれかでプ
ロットされた。各ターゲットのプロットは１つの信号の
みにもとづき実験期間の信号を表すものと仮定された。
各記録されたターゲットに対して、平均パルス幅（−6d
bレベル）はESPを用いた150又はそれ以上の信号にもと
づいて見積もられた。ピーク振幅レベルもESPを用いて
（0dbレベルで）見積もられた。典型的なパワースペク
トルはニコレ（Nicolet）の660B解析器を用いた記録信
号から組み立てられた。

時間領域およびパワー周波数静特性に加えて、各ター
ゲット（幾何学的形状又は魚）の反射パワー又はターゲ
ットの後方散乱断面にもとづいて情報が得られた。双ビ
ームトランスデューサ10は軸からはずれているターゲッ
トに対して正確であるのでターゲット強さを推定するの
に使用された。双ビーム処理（ESP）に対して６と15度
素子の両方でエコーが受信された。信号は時間的に変化
する利得増幅器を用いて増幅され解析された。ターゲッ
ト強さは“自由音場”測定領域にあると期待されるトラ
ンスデューサから約3.1mのほとんどの形状に対して算定
された。チョウザメ・ウォーライおよび他の種のターゲ
ット強さも個々および群の両方について算定された。比
較が、0.5ms伝送パルスをもった存在するもしくは修正
された音響器の両方を使用してピンポンボールの算定さ
れたターゲット強さからなされた。

実験の結果は５−37図を参照することにより議論され
る。５−27図の各々は２つの装置を用いて得られた比較
結果を示す４つのダイヤグラムからなっている。

5a−27a図は、0.5msパルス幅の伝送パルスを用いた既知
の装置で得られた結果を示している。

5b−27b図は、0.5msパルス幅の伝送パルスを用いた新
しい装置で得られた結果を示している。

5c−27c図は、0.1msパルス幅の伝送パルスを用いた既
知の装置で得られた結果を示している。

5d−27dは、0.1msパルス幅の伝送パルスを用いた新し
い装置で得られた結果を示している。

空間分解能 5a−5d図は、、ピンポンボールの４つのセットを含む
実験から得られた結果を示している。ここでそのセット
はトランスデューサから種々の距離で約10−15cm離間さ
れている。実験は、理論的に約7.5cmおよび37.5cmの空
間分解能にそれぞれ対応する0.1msおよび0.5msの伝送パ
ルス幅で行なわれた。

5aおよび5c図を5b図および5d図と比較することによ
り、本件発明の新しい装置がターゲットの非常に秀れた
分解能（特に0.1msのより低いパルス幅において）を与
えることが容易にわかる。このことは、本件発明の広帯
域システムは受信パルスのより高いフーリエ成分を認識
し得るという事実に起因している。

後方散乱カーブ−時間領域プロット 第６ないし10図は、前に述べた0.5msと0.1msの２つの
伝送パルス幅で作動する２つの装置を用いて得られた比
較結果を示している。ダイヤグラムに示されるカーブは
選択された単一ターゲット文字どうりピンポンボール
（６図）、水のつまったピンポンボール（７図）、ステ
ィロフォーム（８図）、葉っぱ（９図）および空気のあ
わ（10図）の時間領域プロットである。期待したとう
り、0.5msパルス幅の両方の実験に対して得られたプロ
ットは0.1msパルス幅で得られた実験よりもより良く限
定されている。しかしながら、一層重要なことは、本件
発明の装置を用いて得られた信号は既知の装置を用いて
得られたものとは相違するということである。特に、立
ち上がり時間は既知の装置を用いて得られた実験よりも
すべてのターゲットに対してかなり鋭どいことである。
さらに、新しい装置を用いて得られた信号はより良く限
定されていることである（特に７−10図を参照）。同様
にして、２つの装置の性能が、３つの面に向けられたチ
ョウザメを含む他のターゲットを用いて比較された。そ
の各々が４つのダイヤグラムからなる11−27図は比較の
ためのそれぞれの時間領域プロットを示している。

11−27図の各々は、第２表で同定される特定のターゲ
ットに関係している。

第11−27図に描かれている比較結果は、0.5msパルス
幅（11b−27b図）および0.1ms幅（11dないし27d図）の
新しい装置を用いたときの鮮明度が既知の装置（11a−2
7a図および11c−27c図）と比較してより秀れていること
を明確に示している。このより秀れた鮮明度は、魚を特
定し岩屑から魚を区別するために使用され得るようター
ゲットを識別する能力を与える新しい装置で受信パルス
の高いフーリエ成分が保有されるという事実によるもの
である。

後方散乱−パワースペクトルプロット 新しい装置および既知の装置の両方を使用する種々の
ターゲットに対するパワースペクトルのプロットが28−
37図に描かれている。

28図は、３つの異なる面に方向づけられたチョウザメ
80cm長に対して既知の装置を用いたパワースペクトルの
プロットを示している。29図は、同じターゲットについ
て本件発明の装置を用いて得られたプロットを示してい
る。新しい装置は魚の方向の間をより容易に区別するこ
とができる点が注目される。

30図は、チョウザメの種々のサイズ42cm、50cm、60c
m、70cm、および80cmについて新しい装置を用いたパワ
ースペクトルプロットを示している。

31図は、ターゲットがはがねボールである既知の装置
と新しい装置の両方を用いた２つのパワースペクトルプ
ロットの比較を示している。新しい装置が受信信号によ
って与えられるより大くの情報を保有していることは明
白である。

32図は、ターゲットがバークチップである２つの装置
に対しての対比パワースペクトルプロットを示してい
る。

33図は、同様にターゲットが葉っぱである対比プロッ
トを示している。

34図は、同様にターゲットがピンポンボールである対
比プロットを示している。 35図は、同様にターゲット
が水のつまったピンポンボールである対比プロットを示
している。

36図は、同様にターゲットがスティロフォームボール
である対比プロットを示している。

37図は、空気のあわがターゲットである対比プロット
を示している。

図に示されている種々の後方散乱カーブの調査は既知
のソナーシステムと本件発明により改良されたシステム
との間の重要な差を表している。既知のシステムにおい
ては、かなりのフィルタリングが中間周波数と検出出力
の両方で起きる。このフィルタリングは少なくとも伝送
パルスが0.5msパルス幅であるときにはターゲット強さ
の算定に影響するようにはみえないが受信信号における
貴重な情報の損失に帰結する。この理由で、既知のソナ
ーシステムはおそらく反射信号だけにもとづいて魚を岩
屑から区別したり魚を分類する十分なデータを与えるこ
とができない。一方、音響器の無線周波数出力を使用す
る本件発明の改良システムは個々のターゲット後方散乱
カーブにおいてより詳細な情報を与える。比較結果はタ
ーゲットのいくつかの間における定性的な差特にパワー
スペクトルプロット28−37図において明白な差を示唆し
ている。例えば、チョウザメ（29図）および空気のあわ
（37図）に対するパワースペクトルの比較からすると、
反射信号の影響をエコーのもどり中の空気のあわからと
り除くかもしくはフィルタアウトしエコーの数を実際の
魚の数として識別することが可能であるようだ。

改良システムの別の重要な利点は、ターゲットの改善
された空間分解能すなわち低いパルス幅でターゲット強
さを算定する能力である。これらの利点は、生物集団の
見積りがエコー積分技術よりもむしろエコー計数技術に
もとづいているならば重要である。

【図面の簡単な説明】

第１図は魚の母集団上の情報を集めるのに使用される従
来の水中音響ソナーシステムの簡単な概略図； 第２図は、本件発明による広帯域ソナー検波器モジュー
ルを組み込んだ改良型水中音響ソナー検出装置の簡単な
概略図； 第３図は、第２図に表わされた広帯域ソナー検波器モジ
ュールの線図； 第４図は、第２図において示される改良システムの性能
を第１図に示される従来システムと比較する場合に使用
される実験的試験便宜のトッププラン視野図； 第5a−5d図はそれぞれ２つの異なるパルス幅を用いた従
来システムと改良システムの典型的なソナーディスプレ
イを描いた図； 第６〜27図中の各ａは、5msのパルス幅で従来の水中音
響ソナーシステムを使用して種々のターゲットに対して
得られた後方散乱カーブを描いた図； 第６〜27図中の各ｂは、0.5msのパルス幅で改良された
システムを使用して同じターゲットに対して得られた後
方散乱カーブを描いた図； 第６〜27図中の各ｃは、0.1msのパルス幅で従来のシス
テムを使用して同じターゲットに対して得られた後方散
乱カーブを描いた図； 第６〜27図中の各ｄは、パルス幅1msで改良された水中
音響システムを使用して同じターゲットに対して得られ
た後方散乱カーブを描いた図；および 第28−37図は、従来のおよび改良された水中音響システ
ムの両方を使用して種々のターゲットの典型的パワース
ペクトルを描いた図。 〔主要部の符号の説明〕 10……トランスデューサ 11……送・受信機 12……RFプリアンプ 13……TVGアンプ20 log R 13′……TVGアンプ40 log R 14……帯域フィルタ20 log R 14′……帯域フィルタ40 log R 16……選択可能利得アンプ 17……ブランカ 23……データ処理・記録装置 25……帯域アンプ20 db 26……広帯域全波検波器 27……低域フィルター

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (73)特許権者 999999999 ブライア エフ．シム カナダ国，エル６エツクス １エル５, オンタリオ ブランプトン，イングリツ シユ ストリート 23 (72)発明者 ポール エツチ．パトリツク カナダ国，エル９テー ２ワイ １，オ ンタリオ，ミルトン，ベル スクール ライン 6345 (72)発明者 ジエラルド エー．ハート カナダ国，エル７ジー ３エル１，オン タリオ，ジヨージタウン，オンタリオ ストリート 70 (72)発明者 ブライア エフ．シム カナダ国，エル６エツクス １エル５, オンタリオ，ブランプトン，イングリツ シユ ストリート 23 (56)参考文献 特開 昭59−60378（ＪＰ，Ａ) 特開 昭58−112533（ＪＰ，Ａ) 特開 昭51−32667（ＪＰ，Ａ) 実開 昭60−104109（ＪＰ，Ｕ)

Claims (2)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】パルス変調された無線周波数音響信号をタ
   ーゲットに向けて放射し、ターゲットから反射される時
   間的に変動する利得補正されたエコー信号を受信するた
   めの送信−受信手段（例えば、11）と受信されたエコー
   信号から復調および記録されるべき電気信号を引き出す
   ための手段を含む水中音響ソナーシステムにおいて、 少なくとも500kHzの帯域幅をもつ入力増幅器（例えば、
   25）、少なくとも500kHzの帯域幅をもち該増幅器の出力
   に結合される全波検波器手段（例えば、26）、および該
   検波器の出力に結合され少なくとも50kHzのカットオフ
   周波数をもつアクティブ低域通過フィルター（例えば、
   27）からなる手段であって該電気信号を復調するための
   手段を含むことを特徴とする水中音響ソナーシステム。
2. 【請求項２】請求項１に記載された水中音響ソナーシス
   テムにおいて、 該入力増幅器（例えば、25）および該全波検波器手段
   （例えば、26）がおのおの少なくとも1.2MHzの帯域幅を
   もっていることを特徴とする水中音響ソナーシステム。