JP4307223B2 - 水中探知装置 - Google Patents
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Description
ここで、「略プロペラ方向」とは、送受波器の中心からプロペラの位置へ向かう方向のみならず、当該方向とのなす角が90度以内である方向をも含む。また、「受信ビーム信号」を括弧内に記しているのは、単に請求項を読みやすくするためである。
このようにすることで、船舶の左舷側と右舷側とでプロペラノイズの影響が異なるような場合や、プロペラが複数本あるような場合でも、受信信号(または受信ビーム信号)からプロペラノイズを確実に除去することができる。尚、受信信号(または受信ビーム信号)に強い相関を持つ参照信号とは、例えば、右舷側にある振動子の受信信号から第1の参照信号が生成され、左舷側にある振動子の受信信号から第2の参照信号が生成される場合においては、右舷側にある振動子の受信信号(または右舷側に主軸を有する受信ビーム信号)については第1参照信号であり、左舷側にある振動子の受信信号(または左舷側に主軸を有する受信ビーム信号)については第2参照信号である。
ここで、「略プロペラ方向」とは、送受波器の中心からプロペラの位置へ向かう方向のみならず、当該方向とのなす角が90度以内である方向をも含む。また、「受信ビーム信号」を括弧内に記しているのは、単に請求項を読みやすくするためである。
このようにすることで、調整される参照信号中のプロペラノイズが各受信信号(または、各受信ビーム信号)中のプロペラノイズと略等しい値となるように、時系列データを用いて調整係数が算出されるので、プロペラノイズを除去するのに最適な調整係数が得られる。
このようにすることで、実際に水中探知装置を船舶に搭載して航行しなくとも調整係数が得られる。
このようにすることで、受信信号をサンプリングした時系列データから調整係数をデジタル的に算出することが可能となり、微調整を必要とするアナログ電子回路を水中探知装置に設ける必要がなくなる。この結果、手間のかかる微調整をしなくても調整係数を求めることができる。
ここで、「略プロペラ方向」とは、送受波器の中心からプロペラの位置へ向かう方向のみならず、当該方向とのなす角が90度以内である方向をも含む。また、「受信ビーム信号」を括弧内に記しているのは、単に請求項を読みやすくするためである。
このようにすることで、フィルタから出力されるノイズ補償信号中のプロペラノイズが各受信信号(または、各受信ビーム信号)中のプロペラノイズと略等しい値となるように、時系列データを用いてフィルタの係数が算出されるので、プロペラノイズを除去するのに最適なフィルタの係数が得られる。
CR=Σ(R[k]・A*[k])/Σ|A[k]|2 (k=0〜N−1) (1)
CL=Σ(L[k]・B*[k])/Σ|B[k]|2 (k=0〜N−1) (2)
ここで、A*[k]およびB*[k]は、それぞれA[k]およびB[k]の共役複素数である。各時系列データを複素数として扱っているので、プロペラノイズを除去することのできる調整係数を式(1)、(2)によって算出することが可能となる。そして、全てのチャンネルの調整係数を算出し、それを制御部20のメモリーに記憶させる。そして、この調整係数は、上述のように通常の動作モードにおいてノイズ補償信号を求めるための係数として使用される。
CR=Σ(R[k]/A[k])/N (k=0〜N−1) (3)
CL=Σ(L[k]/B[k])/N (k=0〜N−1) (4)
すなわち、調整係数は参照信号の複素振幅に対する受信信号の複素振幅の比に一致する。ここで、N個の比の平均値を調整係数としているのは、平均化することによって調整係数の精度を高めるためである。
尚、プロペラノイズの内、送信周波数fから離れた周波数成分はA/D変換器12の前段に設けられた第1フィルタ11によって予め除去されているので、上記の式(1)、(2)によって正しい調整係数を算出することが可能となる。また、上記の説明では、調整係数の算出時には超音波の送信を停止するようにしていたが、魚群や海底からのエコー信号の大きさがプロペラノイズの大きさに比べて十分に小さい場合には超音波を送信していてもよいし、極小出力の超音波であれば送信していてもよい。
K−1)を付与し, k番目のチャンネルの振動子6を第k振動子と呼ぶ。制御部20(図2参照)は、下記の式(5)にしたがって対象チャンネルの調整係数Cを計算する。また、図9はプロペラ7と振動子6との位置関係を示す図であり、図9(a)はプロペラ7と参照信号のビーム形成に寄与する振動子6群との位置関係を、図9(b)はプロペラ7と対象振動子との位置関係を示す。図では、プロペラ7と送受波器5間の距離と送受波器5の直径とが同程度に示されているが、実際には前者は後者よりも十分に長い。
φ0:対象振動子とプロペラ7を結ぶ直線が対象振動子の放射面の法線となす角
r[k]:第k振動子とプロペラ7間の距離
φ[k]:第k振動子とプロペラ7を結ぶ直線が第k振動子の放射面の法線となす角
W[k]:参照信号のビーム形成において、第k振動子の受信信号に乗じられるウェイト
θ[k]:参照信号のビーム形成において、第k振動子の受信信号に施される移相量
上記のウェイトW[k]は、最適な参照信号を得るためのパラメータである。サイドローブを抑制するには、図10(a)に示すように、開口の中心に位置する振動子6Aに大きな値を付与し、開口の端に位置する振動子6Bには小さな値を付与すればよい。また、プロペラノイズを良好なS/N比で受信するには、図10(b)に示すように、プロペラ方向に主軸を有する振動子6Bに大きな値を付与し、プロペラ方向と主軸のなす角が大きい振動子6Cには小さな値を付与すればよい。W[k]の値は、例えば、図10(a)、(b)に示すように、適当な幅を有するガウス関数に基づいて決めることができる。
尚、プロペラ7と送受波器5との距離が大きい場合には、正弦波源から各振動子6に入射する波動を平面波とみなすことができるので、式(5)の近似式である下記の式(6)を用いて、比較的簡単に調整係数を計算できる。式(6)中のd0は、上記仮想平面と対象振動子との距離である(図11参照)。
φa[s]:第s振動子とプロペラ7を結ぶ直線が第s振動子の放射面の法線となす角
Wa[s]:対象ビームのビーム形成において, 第s振動子の受信信号に乗じられるウェイト
θa[s]:対象ビームのビーム形成において, 第s振動子の受信信号に施される移相量
r[k]:第k振動子とプロペラ7間の距離
φ[k]:第k振動子とプロペラ7を結ぶ直線が第k振動子の放射面の法線となす角
W[k]:参照信号のビーム形成において, 第k振動子の受信信号に乗じられるウェイト
θ[k]:参照信号のビーム形成において, 第k振動子の受信信号に施される移相量
尚、プロペラ7と送受波器5との距離が大きい場合には、正弦波源から各振動子6に入射する波動を平面波とみなすことができるので、式(7)の近似式である下記の式(8)を用いて、比較的簡単に調整係数を計算できる。式(8)中のda[s]は、参照信号の形成に用いられる仮想平面と第s振動子との距離である(図14参照)。
φ0:対象振動子とプロペラ7を結ぶ直線が対象振動子の放射面の法線となす角
r1:参照振動子とプロペラ7間の距離
φ1:参照振動子とプロペラ7を結ぶ直線が参照振動子の放射面の法線となす角
尚、プロペラ7と送受波器5との距離が大きい場合には、正弦波源から各振動子6に入射する波動を平面波とみなすことができるので、式(9)の近似式である下記の式(10)を用いて、比較的簡単に調整係数を計算できる。式(10)中のΔrは、参照振動子と対象振動子とのプロペラ方向における距離である(図16参照)。
φa[s]:第s振動子とプロペラ7を結ぶ直線が第s振動子の放射面の法線となす角
Wa[s]:対象ビームのビーム形成において、第s振動子の受信信号に乗じられるウェイト
θa[s]:対象ビームのビーム形成において、第s振動子の受信信号に施される移相量
r1:参照振動子とプロペラ7間の距離
φ1:参照振動子とプロペラ7を結ぶ直線が参照振動子の放射面の法線となす角
尚、プロペラ7と送受波器5との距離が大きい場合には、正弦波源から各振動子6に入射する波動を平面波とみなすことができるので、式(11)の近似式である下記の式(12)を用いて、比較的簡単に調整係数を計算できる。式(12)中のd1[s]は、参照振動子と第s振動子とのプロペラ方向における距離である(図18参照)。
w[k]=Σc[m]・y[k−m] (m=0〜M) (13)
上記のフィルタ係数c[m]は、ノイズ受信部33Aごと(受信信号ごと)に、ノイズ補償信号によって受信信号中のプロペラノイズが除去される値に後述の方法で決められている。
w[k]=Σc[m,k]・y[k−m] (m=0〜M) (14)
e[k]=x[k]−w[k]
(15)
および差分信号e[k]の新たな時系列データの発生のたびに、式(14)、(15)にしたがってw[k]およびe[k]を算出すると共に、下記の式(16)にしたがって仮フィルタ係数を更新する。
c[m,k+1]=c[m,k]+μ・y*[k−m]・e[k] (16)
ここで、y*[k−m]はy[k−m]の共役複素数である。μは、式(16)で繰り返し算出されるc[m,k+1]の収束具合を決める収束係数であって、例えば、下記の式(17)で表される。
また、上記の説明では、調整係数の算出時には超音波の送信を停止するようにしていたが、魚群や海底からのエコー信号の大きさがプロペラノイズの大きさに比べて十分に小さい場合には超音波を送信していてもよいし、極小出力の超音波であれば送信していてもよい。
3 ノイズ除去部
5 送受波器
6、6R1〜6R26、6A1〜6A7、6B1〜6B7 振動子
7 プロペラ
12 A/D変換器
14 受信ビーム生成部
20 制御部
31,32 参照ビーム生成部(参照信号生成部)
33,33A ノイズ処理部
34 マルチプレクサ
35 調整係数設定部
36 信号乗算部(ノイズ補償信号生成部)
37 信号合成部
38 フィルタ(ノイズ補償信号生成部)
39 フィルタ係数設定部
40 フィルタ係数算出部
90〜92 偽像
Claims (8)
- 複数の振動子で形成される送受波器から超音波を送信し、各振動子で受信された受信信号を解析することにより水中情報を求める水中探知装置であって、プロペラノイズを除去するノイズ除去部を備えた水中探知装置において、
前記受信信号をサンプリングすることにより複素数の時系列データを生成し、
前記ノイズ除去部は、
略プロペラ方向に主軸を有する前記いずれかの振動子の受信信号から得られた前記時系列データからなる参照受信信号、または、前記複数の振動子の内のいくつかの振動子の受信信号から得られた前記時系列データに基づいて生成された、プロペラ方向に主軸を有する複素数の時系列データからなる参照ビーム信号を、プロペラノイズの参照信号として出力する参照信号生成部と、
前記受信信号(または前記複数の受信信号の内のいくつかの受信信号から生成された受信ビーム信号)ごとの複素数の調整係数を前記参照信号に乗算して得られるノイズ補償信号を出力するノイズ補償信号生成部と、
前記各受信信号(または前記各受信ビーム信号)と前記各ノイズ補償信号とを合成することにより前記各受信信号(または前記各受信ビーム信号)からプロペラノイズを除去する信号合成部と、を備えたことを特徴とする水中探知装置 - 請求項1に記載の水中探知装置において、
前記参照信号生成部は互いに異なる複数の前記参照信号を出力し、
前記ノイズ補償信号生成部は、前記各受信信号(または前記各受信ビーム信号)と強い相関を持つ前記複数の参照信号のいずれかを選択して前記ノイズ補償信号を出力することを特徴とする水中探知装置。 - 複数の振動子で形成される送受波器から超音波を送信し、各振動子で受信された受信信号を解析することにより水中情報を求める水中探知装置であって、プロペラノイズを除去するノイズ除去部を備えた水中探知装置において、
前記受信信号をサンプリングすることにより複素数の時系列データを生成し、
前記ノイズ除去部は、
略プロペラ方向に主軸を有する前記いずれかの振動子の受信信号から得られた前記時系列データからなる第1参照受信信号、または、第1開口を形成する前記複数の振動子の内のいくつかの振動子の受信信号から得られた前記時系列データに基づいて生成された、プロペラ方向に主軸を有する複素数の時系列データからなる第1参照ビーム信号を、プロペラノイズの第1参照信号として出力する第1参照信号生成部と、
略プロペラ方向に主軸を有する前記いずれかの振動子の受信信号から得られた前記時系列データからなる第2参照受信信号、または、第2開口を形成する前記複数の振動子の内のいくつかの振動子の受信信号から得られた前記時系列データに基づいて生成された、プロペラ方向に主軸を有する複素数の時系列データからなる第2参照ビーム信号を、プロペラノイズの第2参照信号として出力する第2参照信号生成部と、
前記受信信号(または前記複数の受信信号の内のいくつかの受信信号から生成された受信ビーム信号)ごとの複素数の調整係数を、当該受信信号(または当該受信ビーム信号)と強い相関を持つ前記第1参照信号または前記第2参照信号のいずれかに乗算して得られるノイズ補償信号を出力するノイズ補償信号生成部と、
前記各受信信号(または前記各受信ビーム信号)と前記各ノイズ補償信号とを合成することにより前記各受信信号(または前記各受信ビーム信号)からプロペラノイズを除去する信号合成部と、を備えたことを特徴とする水中探知装置。 - 請求項1ないし請求項3のいずれかに記載の水中探知装置において、
前記調整係数は、プロペラを回転しているときの前記参照信号または第1および第2参照信号ならびに前記各受信信号(または前記各受信ビーム信号)の時系列データを用いて算出される値であることを特徴とする水中探知装置。 - 請求項1ないし請求項3のいずれかに記載の水中探知装置において、
前記調整係数は、プロペラと前記各振動子との位置関係、前記各振動子の指向特性、および前記超音波の波長を用いて算出される値であることを特徴とする水中探知装置。 - 請求項1ないし請求項5のいずれかに記載の水中探知装置において、
前記調整係数は、前記プロペラノイズを前記超音波の周波数と同一の周波数の正弦波で近似したときの、前記参照信号または第1もしくは第2参照信号の複素振幅に対する前記各受信信号(または前記各受信ビーム信号)の複素振幅の比であることを特徴とする水中探知装置。 - 複数の振動子で形成される送受波器から超音波を送信し、各振動子で受信された受信信号を解析することにより水中情報を求める水中探知装置であって、プロペラノイズを除去するノイズ除去部を備えた水中探知装置において、
前記受信信号をサンプリングすることにより複素数の時系列データを生成し、
前記ノイズ除去部は、
略プロペラ方向に主軸を有する前記いずれかの振動子の受信信号から得られた前記時系列データからなる第1参照受信信号、または、第1開口を形成する前記複数の振動子の内のいくつかの振動子の受信信号から得られた前記時系列データに基づいて生成された、プロペラ方向に主軸を有する複素数の時系列データからなる第1参照ビーム信号を、プロペラノイズの第1参照信号として出力する第1参照信号生成部と、
略プロペラ方向に主軸を有する前記いずれかの振動子の受信信号から得られた前記時系列データからなる第2参照受信信号、または、第2開口を形成する前記複数の振動子の内のいくつかの振動子の受信信号から得られた前記時系列データに基づいて生成された、プロペラ方向に主軸を有する複素数の時系列データからなる第2参照ビーム信号を、プロペラノイズの第2参照信号として出力する第2参照信号生成部と、
前記受信信号(または前記複数の受信信号から生成された受信ビーム)ごとに設けられ、当該受信信号(または当該受信ビーム信号)と強い相関を持つ前記第1参照信号または前記第2参照信号のいずれかを処理してノイズ補償信号を出力する、複素数のフィルタ係数を持つフィルタと、
前記各受信信号(または前記各受信ビーム信号)と前記各ノイズ補償信号とを合成することにより前記各受信信号(または前記各受信ビーム信号)からプロペラノイズを除去する信号合成部と、を備えたことを特徴とする水中探知装置。 - 請求項7に記載の水中探知装置において、
前記フィルタ係数は、プロペラを回転しているときの前記第1および第2参照信号ならびに前記各受信信号(または前記各受信ビーム信号)の時系列データを用いて算出される値であることを特徴とする水中探知装置。
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