JP2650922B2

JP2650922B2 - 水中探知装置

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Publication number: JP2650922B2
Application number: JP62256745A
Authority: JP
Inventors: 正三渋谷
Original assignee: Furuno Electric Co Ltd
Current assignee: Furuno Electric Co Ltd
Priority date: 1987-10-12
Filing date: 1987-10-12
Publication date: 1997-09-10
Anticipated expiration: 2012-09-10
Also published as: JPH0198983A

Description

【発明の詳細な説明】（ａ）産業上の利用分野この発明は、超音波送受波器を中心として扇形状の領
域に存在する魚群や水底などの状態を探知する水中探知
装置に関する。

（ｂ）従来の技術従来、魚群や水底の状態を探知する装置として、船底
に取りつけた超音波送受波器を用いて水中の扇形状の領
域を探知し、これを表示する水中探知装置いわゆるソナ
ーが用いられている。例えば第９図に示すように、船底
に取りつけられた超音波送受波器から自船の船首方向に
直角な扇形状の超音波パルスを出力し、水中および水底
からの反射波を扇形状の各方向に指向性を有する超音波
送受波器で受信することによって、水中の状態を２次元
で探知し、これを表示している。

（ｃ）発明が解決しようとする問題点このような従来の水中探知装置では、第９図において
実線の水底が破線で示すように直線（平坦）であったと
しても、表示の上では実線で示すように例えば楕円弧状
になる。これは従来の超音波探知装置が水中音速を水中
の全ての点で一定であるとみなしているからである。す
なわち水中音速は水温や水圧などによって変化するた
め、水温や水圧の分布によって超音波が屈折するためで
ある。

この発明は、水中音速の不均一性を考慮して超音波の
屈折による影響を補正して正確な水中の状態を探知でき
るようにするとともに、このような補正を簡単な構成で
行うようにして容易に実現できるようにした水中探知装
置を提供することを目的としている。

（ｄ）問題点を解決するための手段この発明の水中探知装置は、水中の扇形状の領域を探
知する超音波送受波器と、この超音波送受波器の極座標
探知情報を記憶する探知メモリと、水面または所定水深
の水温を計測する水温計測手段と、水面または所定水深
の水温から算出される平均音速によって決定される、探
知情報の超音波屈折分補正用の補正係数を記憶する補正
係数記憶手段と、前記探知メモリの内容を直交座標系に
座標変換するための座標変換情報を記憶する座標変換情
報記憶手段と、前記極座標探知情報に対して前記補正係
数を用いて超音波屈折分を補正するとともに前記座標変
換情報を用いて座標変換を行い直交座標系の画像データ
を生成する画像データ生成手段と、を備えたことを特徴
とする（ｅ）作用この発明の水中探知装置においては、超音波送受波器
は水中の扇形状の領域を探知し、探知メモリは超音波送
受波器の極座標探知情報を記憶し、画像データ生成手段
は探知画像メモリの内容を読み出し、直交座標系の画像
データを生成する。これにより水中の扇形状の領域を直
交座標系の画像データとして求める。このような水中探
知装置において、水温計測手段に水面または所定水深の
水温を計測させ、補正係数記憶手段にこの計測された水
温から算出される平均音速によって決定される、探知情
報の超音波屈折分補正用の補正係数を記憶させる。ま
た、座標変換情報記憶手段には、前記探知メモリの内容
を直交座標系に座標変換するための座標変換情報を記憶
させる。そして、画像データ生成手段が、前記極座標探
知情報に対して前記補正係数を用いて超音波屈折分を補
正するとともに前記座標変換情報を用いて座標変換を行
い直交座標系の画像データを生成する。

次に超音波の屈折補正について順をおって説明する。

水深ｙにおける音速Ｃ（ｙ）は実験式として（１）式
で与えられる。

Ｃ（ｙ）＝c₁＋a₁t−a₂t²＋b₁s＋py −（１）ここでｔは水温、ｓは塩分濃度、a₁,a₂,b₁,c₁,pはい
ずれも正の定数である。

（１）式よりＣ（ｙ）を求めるためにはｔおよびｓを
求めなければならない。このために水中に水温計，塩分
濃度計および深度計を投げ込むことによって、ｙに対す
るｔおよびｓを求めることができるが、ｓは大洋におい
ては一定とみなし、ｔも潮目などの特殊な海域を除く大
洋においては表面水温t₀と水深ｙによる関数ｆ（y,t₀）
により予測可能である。よって以下においてはＣ（ｙ）
を求めるためにt₀のみを測定する。

船首方向をｚとし、第10図に示すように水平方向を
ｘ、水深方向をｙとすれば、超音波送受波器の送受波面
は座標原点Ｏにある。送受波ビームはｙ軸を中心として
ｘ−ｙ平面上に存在し、その広さは２Θ_０である。ただ
し２Θ_０は後述の表面音速をC₀とした設計時の値であ
る。

いま、送波器からｘ−ｙ平面上の点ｓに到達し、受信
器へ戻る超音波を考える。このとき超音波の往復経路は
同一である。送波器からｙ軸に対してθの角度で発射さ
れた超音波ビームは途中屈折しながら点ｓに到達する。
点ｓと原点を結ぶ直線のｙ軸に対してなす角度をφとす
る。ここでθもφもｘの正の方向を正とする。なお、こ
こでは超音波の表面音速をC₀と仮定したが、実際の表面
音速と異なる場合があるため上記θの値も仮定である。

超音波の往復時間をτとすればφ，θ,y,τは次式で
示される。

sinφ＝｛C_a（y,t₀）/C₀｝sinθ −（２）ｙ＝｛C_a（y,t₀）・τ/2｝cosφ −（３）ここでC_a（ｙ）は平均音速であり次式で表される。

以上のように第10図に示したｓ点は実際にはφ方向の
C_a（y,t₀）・τ/2の距離にあるにも関わらず、補正しな
ければθ方向のC₀・τ/2のｓ′点にあるように見える。

この発明では反射波の強度を極座標で探知画像メモリ
へ記憶させた後、直交座標の画像データに変換される
が、ここで極座標を距離の代わりに時間Ｔを使用し、角
度をΘとすれば、T,Θと前記τ，θの関係は次式で表さ
れる。

Ｔ＝Ｆ・τ −（５） Θ＝Ｇ（Θ_０＋θ） −（６）ここでＦは探知信号の距離方向のサンプリング時間の
逆数であり、Ｇは角度方向のサンプリング時間の逆数で
ある。

直交座標をX,Yとすれば、X,Yと上記x,yの関係は次式
で表される。

ｘ＝AX＋Ｂ −（７）ｙ＝DX＋Ｅ −（８）ここでＡ〜Ｅは変換すべき直交座標系の画像範囲で決
まる定数である。

x,yに対応するT,Θは以下のようにして求められる。

（２）式および（６）式よりここでy_Mは第10図に示したようにｙの最大値、すなわ
ち観察したい範囲内の最深深度、ｘ′は原点とｓを結ぶ
線を延長したときｙ＝y_Mと交わる点のｘの値である。

（３）式および（５）式よりＴ＝２・Ｆ・y/｛C_a（y,t₀）・cosφ｝ −（11）ここでであるから、以上のように（７）式、（８）式、（10）式、（12）
式を用いて直交座標のデータX,Yとともに水温データt₀
を与えることによって超音波の屈折部分を補正した極座
標T,Θを求め、前記探知メモリの内容を読み出す。ここ
で、（10）式および（12）式における予想されるx,yに
対するT,Θを全て記憶させておいて、極座標探知情報に
対して超音波屈折分を補正するとともに直交座標系に座
標変換を行うように構成することは現実的には実現でき
ない。なぜなら、予想されるx,yに対するT,Θを全て記
憶させるための記憶容量が膨大なものであるからであ
る。そこで、この発明では探知情報の超音波屈折分補正
用の補正係数と前記探知メモリの内容を直交座標系に座
標変換するための座標変換情報とを記憶させておき、こ
れらの補正係数と座標変換情報とを用いて極座標探知情
報から超音波屈折分が補正された直交座標系の画像デー
タを作成させるようにしている。この方式では、補正係
数や座標変換情報を記憶するための記憶容量は小さく、
極座標探知情報から超音波屈折分が補正された直交座標
系の画像データを作成させるようにすることができる。

（ｆ）実施例第４図はこの発明の実施例である水中探知装置の超音
波送受波器の位置関係を表す図であり、第５図はその超
音波送受波器によって構成される送受波ビームを示して
いる。第４図に示すように船首方向に送波器がＪ個と、
船首方向と直角な方向に受波器がＫ個配列されている。
後述するように送波器はＪ個の全振動子を同時に駆動し
て超音波パルスを送波するため、船首方向に直角な平面
内に一定角度の広がりを有する送波ビームが形成され、
受波器はＫ個の各振動子の発生電圧を所定の位相で合成
することによって扇形状の各方向からの反射波を順次選
択的に受ける受波ビームを形成する。第５図はこのよう
な送波ビームと受波ビームの合成により得られる設計時
の送受波ビームである。ここで送波ビームはφ_Ｓ×２Θ
_Ｔ、受波ビームをφ_Ｒ×２Θ_０で表すことができる。２
Θ_Ｔは船首方向に直角な方向の送波ビーム角（２Θ_Ｔ＞
２Θ_０）であり、φ_Ｒは船首方向の送波ビーム角（φ_Ｒ
＞φ_Ｓ）である。なお、受波ビームは２Θ_０方向にＭ分
割され、Ｍ個のφ_Ｓ×ΔΘ_０の小ビームより構成されて
いる。すなわち、２Θ_０＝Ｍ×ΔΘ_０であり、この受波
ビームは第５図に示すように左舷から右舷に０から（Ｍ
−１）まで並んでいる。なお、（６）式のＧはＧ＝M/2
Θ_０の関係で表され、Θは受波ビームの番号と同一であ
る。

第１図はこの発明の実施例である水中探知装置のブロ
ック図である。全体の概略動作は次の通りである。

送波器８から出力された超音波は水中の物体で反射さ
れ、受波器９で受信される。受波器９で発生した探知信
号は受信アンプ群３、位相合成回路４およびA/Dコンバ
ータ５を経て極座標メモリである探知メモリ６に記憶さ
れる。探知メモリ６に記憶された探知信号は、座標変換
器28を介して超音波の屈折が補正されるとともに座標変
換が行われ、直交座標メモリである表示メモリ13に転送
され記憶される。表示メモリ13に記憶された探知信号は
表示器16に表示される。

以下各部の動作を詳述する。

送信器１はＹカウンタ31が出力する送信パルスによ
り、予め定められた出力，パルス幅および周波数の超音
波パルス信号を送波器８のＪ個の振動子に与え水中に超
音波パルスを発射する。このとき、各振動子は同時に励
振されて前述の送波ビームが発生する。そして、水中の
物体から反射された探知信号は、送波器９のＫ個の振動
子で受波されたのち、受信アンプ群３により増幅され
る。受信アンプ群３は受波器９の振動子と同様のＫ個の
受信アンプで構成され、入力されている送信パルスのタ
イミングによって、探知信号の距離による減衰を補正す
るTVG回路が構成されている。位相合成回路４はＫ個の
探知信号を位相合成し、Ｍ個の受波ビームを作り出し、
角度カウンタ24の計数値が示す（設計時の）方向の探知
信号を検波出力する。位相合成法としては、遅延線を使
用するもの、位相が異なる正弦波を乗算するもの、ある
いはFFT（高速フーリエ変換）を使用するものなどがあ
る。

検波された探知信号はA/Dコンバータ５でディジタル
コードに変換されて探知メモリ６に記憶される。探知メ
モリ６のアドレスは角度カウンタ24と時間カウンタ25と
によって指定される。

位相合成回路４は角度カウンタ24の値によって受波ビ
ームの指向方向の選択動作を行い、等時間上にある探知
物体からの反射波を時系列化して送出する。したがっ
て、位相合成回路４から送出される時系列データは角度
データと時間データの極座標データで表され、角度デー
タと時間データとによって指定される探知メモリ６のア
ドレスに時系列化された探知信号が順次記憶される。

第７図（Ａ）は探知メモリ６のメモリ空間を表す概念
図であり、第６図は探知メモリのアドレスと水中の位置
との関係を表す概念図である。第７図（Ａ）に示すよう
に例えば縦軸方向のアドレスが（設計時の）各方向の受
波ビームに対応し、横軸方向のアドレスが各受波ビーム
における探知物体までの時間に対応する。したがって、
探知メモリの縦軸は極座標の角度に相当し、横軸は時間
に相当する。

探知メモリ６には、第５図に示した０あるいはＭ−１
の受波ビームでも水深がy_M（第10図参照）に到達し、反
射できるに十分な時間T_Mまで記憶される。よって、探知
メモリ６の容量はA/Dコンバータ５の出力ビット数をα
とすると、Ｍ・Ｆ・T_M・αである。また、角度カウンタ
24はＭ進、時間カウンタ25はＦ・T_M進カウンタである。
（第７図（Ａ）参照）。

探知メモリ６に書き込まれた記憶データは座標変換器
28によってアドレスが指定されたとき、その記憶データ
が読み出される。

探知メモリ６の書込と読出はフリップフロップ27のＱ
出力によって行われ、第３図に示すように、送信パルス
ａから信号読取完了パルスｂまでのT_W期間は探知信号の
記憶動作が行われ、信号取込完了パルスｂから次の送信
パルスａまでのT_R期間は信号の読み出しが行われる。す
なわち、T_W期間はフリップフロップ27のＱ出力が“H"レ
ベルに維持され、これにより探知メモリ６が書込モード
に切り換えられ、角度カウンタ24,時間カウンタ25のア
ドレスデータが切換スイッチ７を経て探知メモリ６に導
かれる。その後、T_R期間になると、フリップフロップ27
のＱ出力が“L"レベルに変化して探知メモリ６が読み出
しモードに切り換わると同時に切換スイッチ７が切換動
作を行い、座標変換器28のアドレスデータによって記憶
データの読み出しが行われる。Ｘカウンタ30とＹカウン
タ31はX,Y座標上の位置を指定し、座標変換器28はその
X,Y座標上の位置を極座標上の位置に変換する際、表面
水温計29より得た表面水温t₀に基づいて後述する方法に
よって超音波の屈折分を補正する。

探知メモリ６から読み出された記憶データは表示メモ
リ13へ出力されて記憶される。表示メモリ13におけるア
ドレスの指定はＸカウンタ30とＹカウンタ31の値によっ
て行われる。カウンタ30,31はともにＮ進カウンタであ
り、Ｙカウンタ31はＸカウンタ30の桁上げパルスをカウ
ントする。したがって、表示メモリ13のメモリ空間は第
７図（Ｂ）に示すようにＮ×Ｎで表される直交座標の画
像データが記憶される。

Ｘカウンタ30は分周回路34からゲート回路33を経て導
かれるパルスをカウントする。ゲート回路33はフリップ
フロップ27のＱ出力に基づいて探知メモリ６の記憶デー
タが読み出されている間導通して分周回路34のパルス列
をＸカウンタに与える。なお、Ｙカウンタ31の計数値が
Ｎ−１から０になるとき、Ｙカウンタ31から送信パルス
が発生する。これによりフリップフロップ27がセットさ
れる。フリップフロップ27がセットされると、そのＱ出
力によってゲート23が導通してクロックパルス源22のク
ロックパルスが角度カウンタ24に与えられる。ここでク
ロックパルスの周期をT_Sとすると、（５）式のサンプリ
ング周波数ＦはＦ＝1/（T_S・Ｍ）となる。

以上の繰り返しによって第３図に示したように探知メ
モリ６に対する信号の取り込みと読み出しが交互に行わ
れる。

表示メモリ13から読み出されたデータはD/Aコンバー
タ15によってアナログ信号に変換された後、表示器16へ
出力されて表示される。表示器16は水平走査回路17と垂
直走査回路18によって画素走査が行われる。水平走査回
路17,垂直走査回路18は水平走査カウンタ37,垂直走査カ
ウンタ38の値に対して画素走査を行う。

なお、表示メモリ13の書き込みと読み出しはクロック
パルス源36のクロックパルスによって切り換えられ、例
えば、クロックパルスの半周期は読出モード、他の半周
期は書込モードに切り換えられる。この切り換えに連動
して切換スイッチ14が切換動作を行い、Ｘカウンタ30,Y
カウンタ31の書込アドレスデータと、水平走査カウンタ
37,垂直走査カウンタ38による読出アドレスデータが切
り換えて導かれる。また、クロックパルス源36のパルス
列は分周回路34によって分周されて、Ｘカウンタ30に導
かれ、これによって表示メモリ13の書込モードと読出モ
ードの切換を円滑に行わせている。

次に第１図に示した座標変換器28について説明する。
この座標変換器はROM1〜ROM4といくつかの加算回路と乗
算回路とから構成され、次の構成によって超音波の屈折
の補正とともに座標変換を行う。

ROM1に、予想される全ての表面水温t₀と全ての水深ｙ
（０〜y_M）に対して C₀/C_a（y,t₀）および｛2F/C_a（y,t₀）｝y/y_M の値を予め計算し、記憶しておく。

ROM2にy_M/yの値を全てのｙに対して予め計算し記憶し
ておく。

ROM3にｙ＝y_M上の全てのｘ′に対してを予め計算して記憶しておく。

ROM4に（10）式において｛｝で示した内容の予想さ
れる全ての値に対してΘを予め計算し記憶しておく。

第２図は上記４つのROMといくつかの加算器と乗算器
を組み合わせて構成した座標変換器のブロック図であ
る。上記４つのROMをテーブルとして使用することによ
って、X,Yの直交座標の位置データと表面水温t₀を入力
することによって極座標の位置データT,Θを求めること
ができる。ここで特徴はROM1にC_a（y,t₀）係数を記憶さ
せたことであり、ROM2,ROM3,ROM4によって直交座標を極
座標に変換するとともに、表面水温t₀と水深ｙで指定さ
れるROM1の内容によって超音波の屈折分が補正される。
なお、ROM1に記憶された情報が、この発明で言う補正係
数に相当し、ROM2〜ROM4に記憶された情報がこの発明で
言う座標変換情報に相当する。

ここで、ROM1〜ROM4及び乗算器などによりx,yに対応
するT,Θを求めなくても、（10）式および（12）式を使
用してx,yに対応するT,Θを直接ROMに記憶することが考
えられる。ところがこの場合のROM容量は非常に大きく
なる。例えばΘ_０＝60゜,y_M＝1000m,t₀＝０〜30℃とし
て、ｘおよびｙを1m毎,t₀を１℃毎，Θを１゜毎,Tを1m
を音速C₀で往復する時間毎とすれば、ｘ方向は3464点
（２×1000×tan60゜）、ｙ方向は1000点で表され、Ｔ
は最大2000mに相当する時間であり11ビットで表し、Θ
を７ビットで表せば、Ｍ＝1000×3464×31×（７＋11）＝1932.9×10⁶ つまり約2000Mビットを必要とし実現不可能である。

これに対し上記実施例における４つのROM容量は次の
とおりである。

ROM1の容量M1は、 C₀/C_a（y,t₀）の値を16ビットで記憶し、｛2F/C_a（y,t₀）｝y/y_M の値を32ビットで記憶すれば、ｙは1000点,T₀は31点で
あるため、 M1＝1000×31×（16＋32）＝1.49Mビットである。

ROMの容量M2は、データを16ビットで記憶するとすれ
ば M2＝1000×16＝16Kビットである。

ROM3の容量M3は、２つのデータをそれぞれ16ビットで
記憶すれば、 M3＝3464×（16＋16）＝110.9Kビット ROM4の容量M4は、（10）式で示した｛｝を16ビット
とし、Θを７ビットとすれば、 M4＝2¹⁶×７＝458.8Kビットである。このようにROM1〜ROM4の容量は小さく実現可能
である。

次にこの発明の他の実施例を示す。

上記実施例はROM1〜ROM4に予め固定されたデータを記
憶しておき、これらをテーブルとして用いることによっ
て超音波の屈折分の補正とともに座標変換を行う例であ
ったが、表面水温t₀に応じてその都度RAM上にテーブル
を作成し、これによって超音波の屈折分の補正と座標変
換を行うことができる。

第８図はその場合の座標変換器のブロック図である。
全体の制御はCPU40のプログラム処理によっておこなわ
れ、ROM42にはそのプログラムが予め書き込まれてい
る。RAM43はワーキング用メモリである。テープル用RAM
44は屈折補正および座標変換のテーブルとして用いられ
るメモリであり、マルチプレクサ45を介してアドレス選
択され、マルチプレクサ46を介してデータの入出力が行
われる。CPU40は表面水温計（第１図に示した29）から
出力される表面水温t₀をI/Oポート41を介して読み込
み、（10）式と（12）式の演算を行い、表面水温t₀にお
けるx,yに対応するT,Θの値を順次演算し、テーブル用R
AM44に書き込む。アドレスデコーダ47は入力されたX,Y
データと表示設定器48よりのA,B,D,E値に基づいて
（７）式と（８）式よりテーブル用RAM44のアドレスx,y
を選択する。これにより読み出されたデータをT,Θとし
て用いることができる。

なお、表面水温は急激に変化することはないため、表
面水温t₀の変化時にのみテーブルの書換を行えばよい。

（ｇ）発明の効果以上のようにこの発明によれば、探知メモリに取り込
んだ水中の極座標探知情報を読み出して直交座標の画像
データを生成する際に、計測した水温により、探知情報
の超音波屈折分を補正した位置を読み出して座標変換を
行うように構成したため、簡単な構成で屈折補正を行う
ことができ、水中あるいは水底の位置を正確に探知する
ことができる。

【図面の簡単な説明】

第１図はこの発明の実施例である水中探知装置のブロッ
ク図、第２図は同装置の座標変換器のブロック図、第３
図は前記ブロック図の主要部のタイミングを表す図、第
４図は船底に設けられた超音波送受波器の構成を表す
図、第５図は超音波の送受波ビームの構成を表す図、第
６図は探知メモリのアドレスと水中の位置との対応関係
を表す概念図、第７図（Ａ），（Ｂ）はそれぞれ第１図
に示した探知メモリのメモリ空間，表示メモリのメモリ
空間を表す図である。第８図は他の実施例に係る座標変
換器のブロック図、第９図は従来の水中探知装置の表示
状態を説明するための図、第10図はこの発明に係る屈折
補正手段の作用を説明するための図である。６……探知メモリ、 28……座標変換器、 29……水温計測手段、 6,28,29,30,31……画像データ生成手段、 ROM1……屈折補正手段。

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】水中の扇形状の領域を探知する超音波送受
波器と、この超音波送受波器の極座標探知情報を記憶す
る探知メモリと、水面または所定水深の水温を計測する
水温計測手段と、水面または所定水深の水温から算出さ
れる平均音速によって決定される、探知情報の超音波屈
折分補正用の補正係数を記憶する補正係数記憶手段と、
前記探知メモリの内容を直交座標系に座標変換するため
の座標変換情報を記憶する座標変換情報記憶手段と、前
記極座標探知情報に対して前記補正係数を用いて超音波
屈折分を補正するとともに前記座標変換情報を用いて座
標変換を行い直交座標系の画像データを生成する画像デ
ータ生成手段と、を備えたことを特徴とする水中探知装
置。