JP4348415B2 - 底質判別装置および底質判別方法 - Google Patents

Description

本発明は、海底の底質を判別する底質判別装置および底質判別方法に関する。

従来から、超音波を利用して探知した魚群情報を表示部に表示するとともに、海底の底質（岩や石など）の情報を表示する機能を備えた魚群探知機が知られている。この底質情報は、魚群探知機の振動子から海底に向けて発射された超音波の送信パルスの海底エコーを魚群探知機で解析することにより得られ、底魚やエビ、カニなどの生息場所や、魚網の破損の原因となる岩場などを知るために利用される。また、海洋調査の一環として、音響測深器を用いて海底の底質調査が行われることもある。

ところで、海底に岩や石が多く、海底面が起伏している場合は、振動子直下の海底位置を中心とする比較的広い範囲で反射した海底エコーが魚群探知機で受信されるため、海底エコーの時間幅は長くなる。海底面が砂や泥で覆われていて平坦である場合は、狭い範囲で反射した海底エコーしか受信されないため、海底エコー幅は短くなる。また、海底エコー幅は、海底深度が深くなるにしたがって長くなる。下記の特許文献１、２には、海底エコーの信号レベルが所定の閾値を越える部分の時間幅を、送信パルスが発射されてから海底エコーが魚群探知機で受信されるまでの時間で除算した値に基づいて底質を決定することが示されている。

下記の特許文献３には、図６に示す音響測深器の受信信号に基づいて、底質（岩、石、砂、泥など）を判別できることが示されている。６１は送信パルスを直接受信した信号、６２は海底１次エコー、６２ａは海底１次エコーの先頭部、６２ｂは海底１次エコーの尾引き部、６３は海底２次エコーである。海底２次エコーは、海底１次エコーが海面や船底で反射した後に再び海底で反射したものである。この特許文献には、尾引き部６２ｂの積分値がラフネス（海底面の粗さの程度）の指標であること、海底２次エコー６３の全範囲の積分値がハードネス（海底面の硬さの程度）の指標であること、および２つの積分値から底質を判別できることが示されている。上記の尾引き部６２ｂの積分値は、ラフネスの指標であるにもかかわらず、海底面の硬さ度合いに影響される。本特許出願の出願人の一人が出願した特願２００５−３７３３７４では、上記の影響を低減するために尾引き部６２ｂの信号をその最大値で正規化することが提案されている。

下記の特許文献４には、パルス幅が一定の送信パルスを送信した後、所定周期ごとにサンプリングした海底エコー信号の振幅データを、海底深度と送信パルス幅との関数で規定される周波数でリサンプルすることが示されている。リサンプルされた振幅データは調査海域の全ての調査点で収集され、収集された振幅データから各調査点での海底エコーの特徴ベクトル（１００個よりも多くの要素からなる、海底エコーの形状や幅の特徴を表すベクトル）が算出される。さらに、主成分分析によって特徴ベクトルの各要素が線形結合された３つの主成分が調査点ごとに算出され、３つの主成分の値に基づいて各調査点の底質が５〜１０程度のクラスに分類される。上記の線形結合に用いられる係数は、全ての調査点の特徴ベクトルから算出される。また、下記の非特許文献１、２には、底質判別においてニューラルネットワークを利用することが示されている。

特許第３０８８５５７号公報（段落０００１〜００１４） 特許第３４５０６６１号公報（段落０００１〜００２４） 欧州特許第０５０１７４３号明細書（第１コラム第１行〜第２コラム第４２行、第４コラム第３５行〜同コラム第４７行、第７コラム第２７行〜同コラム第４９行、Ｆｉｇ．９のＸ、Ｙ軸の説明） 米国特許第６８０１４７４号明細書（第４コラム第１６行〜第９コラム第２４行、クレーム１〜クレーム９） ACUSTICAacta acustica、（ドイツ連邦共和国）、2000年、Vol.86、p.830-837 IEEETRANSACTIONS ON GEOSCIENSE AND REMOTE SENSING、（米国）、2001年12月、Vol.39、No.12、p.2722-2725

ところで、海底深度をＤ、魚群探知機などで送受信される超音波の指向角の半角をθ、送信パルス幅をτ、海中での音速をｃ、海底エコー幅をＷとすると、Ｗは下式で表される。
Ｗ＝２Ｄ（１／ｃｏｓθ−１）／ｃ＋τ （１）
つまり、海底エコー幅Ｗは、海底深度Ｄだけでなく送信パルス幅τにも依存する。しかしながら、特許文献１〜３に示されるものでは、このことが考慮されていないため、τの影響度の大きい浅海では底質判別確度が悪化する。

特許文献４に示されるものでは、海底深度によらず一定のパルス幅の送信パルスを送信する。このことによって生じる弊害を、図７を用いて説明する。振動子から送信される超音波の指向角の半角をθとする。海底深度がＤであるときの振動子直下の海底位置をＰ１とし、指向角の端の方位に対応する海底位置をＰ２とする。海底深度が２Ｄであるときの振動子直下の海底位置をＰ３とし、指向角の端の方位に対応する海底位置をＰ４とする。簡単のために、海中での伝搬損失の影響を無視し、Ｐ１、Ｐ２、Ｐ３、Ｐ４からの海底エコー信号だけに着目する。海底位置Ｐ１、Ｐ２からの海底エコー信号Ｅ１１とＥ１２との時間差をＴとすると、海底位置Ｐ３、Ｐ４からの海底エコー信号Ｅ１３とＥ１４との時間差は２Ｔとなる。一方、海底エコー信号Ｅ１１〜Ｅ１４の幅はτである。このため、海底エコー信号Ｅ１１、Ｅ１２の合成信号Ｇ１１と海底エコー信号Ｅ１３、Ｅ１４の合成信号Ｇ１２との間では、海底の底質が同じであっても信号波形の相似性が損なわれる。

特許文献４に示されるものでは、所定周期ごとにサンプリングした海底エコー信号の振幅データを海底深度と送信パルス幅との関数で規定される周波数でリサンプルするので、海底深度が異なっても、リサンプル後の振幅データＦ１１、Ｆ１２のデータ数は等しくなる。しかしながら、合成信号Ｇ１１と合成信号Ｇ１２との波形の相似性が損なわれているため、リサンプル後の振幅データＦ１１、Ｆ１２から算出される特徴ベクトルが異なるものとなる。つまり、上述の調査点の底質のクラス分け結果が海底深度に依存するという問題がある。また、特許文献４に示されるものは、全ての調査点の海底エコーの振幅データが揃ってからクラス分けを行うため、底質判別のリアルタイム性が要求される魚群探知機などでの利用には適さない。さらに、調査点の底質（岩や石など）を判別するのではなく、単にクラス分けをするだけであるので、各クラスの代表調査点で水中カメラなどによって実際に底質を確認しなければならないという問題もある。

本発明は、上記問題点を解決するものであって、その課題とするところは、海底深度の深浅の影響を受けることなく海底の底質を判別することのできる底質判別装置および底質判別方法を提供することにある。さらには、海底の底質を高い信頼性で判別することのできる底質判別装置を提供することにある。

第１の発明は、振動子から海底へ向けて超音波の送信パルスを送信し、振動子が受信する海底エコー信号に基づいて海底の底質を判別する底質判別装置であって、海底深度に比例するパルス幅の送信パルスを送信する送信手段と、振動子が受信する海底エコー信号の所定範囲から所定の時間間隔で当該海底エコー信号の振幅データを抽出する抽出手段と、抽出手段で抽出した振幅データであって、ＴＶＧ処理が施された振幅データを正規化する正規化手段と、正規化手段で正規化した振幅データの系列における複数の区間のそれぞれについて、各区間内の振幅データから複数の特徴量を算出する特徴量算出手段と、特徴量算出手段で算出した複数の特徴量に基づいて底質判別情報を生成する生成手段と、を備え、抽出手段が海底深度に比例する時間間隔で上記振幅データを抽出することにより、あるいは特徴量算出手段が、海底深度に比例する値を用いて、上記各区間内の振幅データから上記特徴量を算出することにより、海底深度に依存しない特徴量が得られる。上記のように、抽出手段が海底深度に比例する時間間隔で振幅データを抽出し、あるいは特徴量算出手段が、海底深度に比例する値を用いて、上記各区間内の振幅データから特徴量を算出することで、海底深度に比例する値を用いて特徴量を求める。なお、本発明に係る底質判別装置には、底質を判別する機能を備えたものであれば、魚群探知機や測深機、ソナーなどの水中探知装置が含まれる。

上記のように、海底深度に比例するパルス幅の送信パルスを送信することで、底質が同じで異なる深度の海底からのエコー信号の波形は相似になる。すなわち、一方の波形を時間軸方向と振幅軸方向に圧縮あるいは拡大すれば、他方の波形に一致するようになる。両者の時間幅の比は海底深度の比に等しい。したがって、海中での超音波の伝搬損失の影響を無視できる場合には、これら２つの海底エコー信号から海底深度に比例する時間間隔で振幅データを抽出すれば、抽出後の振幅データの系列は、定数倍を除いて一致する。抽出後の振幅データにＴＶＧ処理を施すことで伝搬損失の影響を補正し、さらに正規化を施せば、抽出後の振幅データは同じになる。本発明では、上記のようにして正規化した振幅データから算出した特徴量に基づいて底質を判別するので、海底深度の深浅の影響を受けることなく底質を判別することができる。一方、特徴量算出手段が、海底深度に比例する値を用いて、上記各区間内の振幅データから特徴量を算出する場合、例えば、実施形態に示すように各区間内の振幅データを合計し、さらに合計値を海底深度に比例する値で除算する場合も、２つの海底エコー信号に係る特徴量が同じ値になるので、海底深度の深浅の影響を受けることなく海底の底質を判別することができる。

さらに、振幅データに対して正規化が行われるので、底質判別結果が振動子の感度の経年変化や海面付近の気泡などによる受信レベルの変動に影響されなくなる。さらに、正規化手段で正規化した振幅データの系列における複数の区間のそれぞれについて、各区間内の振幅データから複数の特徴量を算出するので、海底エコー信号の特徴を表す多数の特徴量を得ることができる。これら多数の特徴量に基づいて底質が判別される結果、底質判別確度が向上する。なお、上記の用語「比例」は完全な比例関係にある場合だけではなく、略比例関係にある場合をも含む概念である。本発明では、送信パルスのパルス幅を海底深度に比例させているので、上記の海底深度に比例する値は、送信パルスのパルス幅に比例する値と実質的に同じものとなる。

第１の発明においては、海底エコー信号の所定範囲には、海底１次エコー信号および海底２次エコー信号が含まれる。海底１次エコーと海底２次エコーとの振幅比は海底面の反射率の指標となることから、上記のようにすることで、海底面の反射率の指標となる情報、すなわち海底面の硬さ度合いを示す情報が底質判別に用いられ、底質判別確度が向上する。

また、第１の発明においては、特徴量算出手段が、上記各区間内の振幅データのうち、当該各区間における閾値よりも大きい振幅データから当該閾値を減算した値を合計することにより複数の特徴量を算出する。この閾値をノイズによって生じる振幅データよりも大きな値とすれば、ノイズが判別結果に及ぼす悪影響を緩和することができ、底質判別確度を高めることができる。

さらに、第１の発明においては、送信手段は、周波数あるいは指向性の異なる第１および第２の送信パルスを送信し、特徴量算出手段は、第１および第２の送信パルスに係る特徴量をそれぞれ算出し、生成手段は、第１および第２の送信パルスに係る特徴量に基づいて底質判別情報を生成する。このようにすることで、周波数あるいは指向性の異なる送信パルスを送信するたびに、底質に関する独立な情報を持つ海底エコー信号が得られ、それらの海底エコー信号から算出した特徴量に基づいて底質が判別されるので、底質判別確度が向上する。

さらに、第１の発明においては、生成手段は、底質種別が既知である、それぞれの底質種別の海底からの海底エコー信号より算出した特徴量と既知の底質種別とから得た参照情報を用いて、底質を判別する海底からの海底エコー信号より算出した特徴量に基づいて、底質判別情報を生成する。この生成手段は、実施形態に示すニューラルネットワークに相当するものであるが、ニューラルネットワークに限定されるものではなく、上記の生成手段と同等な機能を有するものであればよい。また、参照情報は実施形態に示すニューラルネットワークのシナプス結合係数に相当するものである。上記のようにすることで、底質の種別を示す底質判別情報が得られるので、水中カメラなどで実際に底質を確認しなくても底質を判別できる。

さらに、第１の発明においては、生成手段は、浅海域および深海域での海底エコー信号から得た浅海域用および深海域用の参照情報を有し、海底深度に応じて選択した浅海域用または深海域用いずれかの参照情報を用いて底質判別情報を生成する。一般に、海底深度が小さいほど、伝播損失が小さいために、海底エコー信号が飽和しやすくなる。さらに、海底深度が小さいほど、送信パルス幅が小さいので、海底エコー信号は振動子の周波数特性の影響を受けやすくなる。したがって、上記のようにすることで、浅海域の海底エコー信号には、浅海域に適した参照情報が用いられるので、広い深度範囲にわたって良好な底質判別性能を得ることができる。

さらに、第１の発明においては、底質判別情報は、底質を判別する海底の底質と複数の底質種別との類似度をそれぞれ表す数値からなり、全体に対する底質種別ごとの当該数値の比率を示す情報が表示部に表示される。このようにすることで、底質を判別する海底の底質が一目瞭然となる。また、底質を判別する海域内で底質が緩やかに変化する場合にも、その変化の様子が一目瞭然となる。

さらに、第１の発明においては、送信パルスが周波数変調信号あるいは位相変調信号である。このようにすることで、送信パルスの海底照射面内で反射した無数の反射波間の伝搬距離差に起因する海底エコー信号の振幅変動量が抑えられるため、底質判別結果の安定性がさらに向上する。

第２の発明は、振動子から海底へ向けて超音波の送信パルスを送信し、振動子が受信する海底エコー信号に基づいて海底の底質を判別する底質判別方法であって、海底深度に比例するパルス幅の送信パルスを送信する工程と、振動子が受信する海底エコー信号の所定範囲から所定の時間間隔で当該海底エコー信号の振幅データを抽出する工程と、抽出した振幅データであって、ＴＶＧ処理が施された振幅データを正規化する工程と、正規化した振幅データの系列における複数の区間のそれぞれについて、各区間内の振幅データから複数の特徴量を算出する工程と、算出した複数の特徴量に基づいて底質判別情報を生成する工程と、を備え、振幅データを抽出する工程が海底深度に比例する時間間隔で上記振幅データを抽出することにより、あるいは特徴量を算出する工程が、海底深度に比例する値を用いて、上記各区間内の振幅データから上記特徴量を算出することにより、海底深度に依存しない特徴量が得られる。このようにすることで、第１の発明と同様な作用効果が得られる。

本発明によれば、海底深度の深浅の影響を受けることなく海底の底質を判別することができる。さらには、高い信頼性で海底の底質を判別することができる。

以下、図面を参照して本発明に係る底質判別装置について説明する。図１は、本発明に係る底質判別装置の構成を示すブロック図である。この底質判別装置１００は、魚群を探知する機能と海底の底質を判別する機能とを備える。魚群を探知する機能については、従来のものと同様であるので説明を省略する。

振動子１は、２つの周波数（ここでは５０ｋＨｚと２００ｋＨｚ）の超音波パルスを送受信する。送受信部２は、振動子１に送信駆動信号を供給するとともに、振動子１が出力する受信信号に対して帯域制限と信号増幅の処理を施す。周波数変換部３は、５０ｋＨｚあるいは２００ｋＨｚの受信信号を中間周波数信号に変換する。Ａ／Ｄ変換器４は中間周波数信号をデジタル信号に変換する。検波部５は、Ａ／Ｄ変換器４から出力されるデジタル信号を検波して振幅データを出力する。深度算出部７は振幅データから海底深度を求める。送信パルス幅算出部８は、海底深度に比例する送信パルス幅を算出し、算出値に応じた送信パルス幅制御信号を送受信部２に送る。振幅データ抽出部９は、海底深度に比例する時間間隔で、入力される振幅データから底質判別に用いる振幅データを抽出する。ゲイン補正部１０は、振幅データに対してＴＶＧ（Ｔｉｍｅ Ｖａｒｉａｂｌｅ Ｇａｉｎ）処理を施す。

平滑化部１１は、ゲイン補正後の振幅データを平滑化する。正規化部１２は、平滑化した振幅データをそれらの最大値で正規化する。特徴量算出部１３は、正規化した振幅データから特徴量を算出する。ニューラルネットワーク１４は、上記の特徴量に基づいて底質判別情報を生成する。表示処理部１５は、底質判別情報を表示用データに変換して表示部１６に表示する。底質判別装置１００が表示部１６を備えていない場合には、表示用データはパーソナルコンピュータのモニタなどに表示される。演算制御部１７は、ＣＰＵやプログラムメモリ、バッファメモリ、その他のメモリなどから構成される。バッファメモリには上記の振幅データや特徴量などが保存され、ＣＰＵがプログラムメモリに格納されたプログラムを実行することにより、各種の演算や制御が行われる。深度算出部７や振幅データ抽出部９、特徴量算出部１３、ニューラルネットワーク１４などはソフトウエアで実現される。

次に、底質判別装置１００の概略動作について説明する。底質判別装置１００の起動直後は海底深度が不明であるので、底質判別装置１００は、所定のパルス幅（例えば１ｍｓ）の送信パルスを振動子１から海底に向けて発射し、振動子１の受信信号から海底深度を算出する。この算出値から次の送信パルスのパルス幅を決める。次に、底質判別装置１００は、パルス幅が海底深度に比例する５０ｋＨｚの送信パルスを振動子１から海底に向けて発射し、振動子１の受信信号から海底深度と特徴量とを算出する。次に、パルス幅が海底深度に比例する２００ｋＨｚの送信パルスを振動子１から海底に向けて発射し、振動子１の受信信号から海底深度と特徴量とを算出する。そして、これら２回の送受信で得た特徴量に基づいて底質判別情報を生成し、表示部１６に表示する。以下、同様にして、５０ｋＨｚの送信パルスの発射から底質判別情報の表示までの一連の過程を繰り返す。以下では、送信パルスの発射を開始してから次の送信パルスの発射を開始するまでの一連の過程を処理サイクルという。

次に、底質判別装置１００の詳細動作について説明する。送受信部２は、送信パルス幅算出部８から入力される送信パルス幅制御信号に応じたパルス幅の送信駆動信号を振動子１に供給する。この結果、振動子１から５０ｋＨｚあるいは２００ｋＨｚの超音波の送信パルスが海底に向けて発射（送信）される。送信パルス幅が１ｍｓ、送信周波数が５０ｋＨｚのとき、送信パルスは５０周期分の正弦波信号となる。

振動子１から発射された送信パルスは海底で反射し、海底エコーを含む信号が振動子１で受信される。この受信信号に対する帯域制限および信号増幅が送受信部２で行われ、さらに周波数変換部３で受信信号が中間周波数信号に変換される。この周波数変換により、２つの周波数の受信信号に対する以降の信号処理が共通化される。中間周波数信号（周波数変換された受信信号）は、Ａ／Ｄ変換器４でデジタル信号に変換され、さらに検波部５で検波され、検波部５から振幅データが出力される。振幅データは、演算制御部１７のバッファメモリに保存され、深度算出部７や振幅データ抽出部９などによる演算処理時にバッファメモリから読み出される。

深度算出部７は、従来からの方法で海底深度を求める。送信パルス幅算出部８は、深度算出部７で算出した海底深度に基づいて、海底深度に比例する送信パルス幅を算出し、この送信パルス幅に応じた送信パルス幅制御信号を送受信部２に送る。例えば、海底深度が５０ｍ、１００ｍ、２００ｍのとき、送信パルス幅をそれぞれ０．５ｍｓ、１ｍｓ、２ｍｓとする。また、海底深度が７０ｍ〜９０ｍ、９０ｍ〜１１０ｍのとき、送信パルス幅をそれぞれ０．８ｍｓ、１ｍｓとして、階段状に海底深度に比例させてもよい。つまり、送信パルス幅を海底深度に正確に比例させてもよいし、略比例させるだけでもよい。そして、送信パルス幅制御信号を受信した送受信部２から上述の送信駆動信号が振動子１に供給されると、振動子１から海底深度に比例するパルス幅の送信パルスが発射される。このように送信パルス幅を海底深度に比例させているので、上記の式（１）で表される海底エコー幅Ｗも海底深度Ｄに比例する。

振幅データ抽出部９は、検波部５から出力される振幅データの系列の所定範囲から、すなわち海底エコー信号の所定範囲から海底深度に比例する時間間隔で振幅データを抽出する。ここで、振幅データの系列とは、送信パルスを１回送信して得られる複数の振幅データを、それらが生じた時刻の順に並べることによって生成される数値列である。ここでは上記の所定範囲を距離換算で０．９５Ｄ〜２．５Ｄ（Ｄは海底深度の算出値）の範囲としている。開始点を０．９５Ｄとしたのは、海底１次エコー信号の立ち上がり部を抽出範囲に含めるためである。終了点を２．５Ｄとしたのは、海底２次エコー信号を抽出範囲に含めるためである。海底２次エコー信号から算出した特徴量を底質判別に用いることは本発明の必須事項ではないが、海底１次エコーと海底２次エコーとの振幅比は海底面の反射率の指標となるので、当該特徴量をも底質判別に用いることで底質判別確度が向上する。当該特徴量を底質判別に用いない場合、上記の所定範囲を例えば０．９５Ｄ〜１．６Ｄなどとする。

振幅データを海底深度に比例する時間間隔で抽出する方法を説明する。抽出範囲の先頭のデータ番号（サンプリングの順序を示す整数）は、０．９５Ｄに相当する時刻にサンプリングした振幅データのデータ番号である。以下では、このデータ番号を開始番号という。抽出範囲内のデータ数は、２．５Ｄ−０．９５Ｄに相当する期間にサンプリングしたデータ数である。海底深度の算出値に比例する１以上の実数をＲとし、抽出範囲内のデータ数をＲで除算した商の整数部をＮとすると、抽出されるのは、｛開始番号＋ｎ・Ｒ｝（ｎ＝０, １, ２, ・・・, Ｎ−１）番目の振幅データである。以下では、このＲをデータ番号間隔という。ｎ・Ｒが整数ではない場合には、振幅データの補間処理を行う。なお、振幅データを抽出する時間間隔は、海底深度に正確に比例させたものでもよいし、階段状に比例させるなどして海底深度に略比例させたものであってもよい。また、上述のように、送信パルス幅を海底深度に比例させているので、振幅データを送信パルス幅に比例する時間間隔で抽出するようにしてもよい。

海底深度に比例するパルス幅の送信パルスを送信することによって得られる効果を、図２を用いて説明する。振動子から送信される超音波の指向角の半角をθとする。海底深度がＤであるときの振動子直下の海底位置をＰ１とし、指向角の端の方位に対応する海底位置をＰ２とする。海底深度が２Ｄであるときの振動子直下の海底位置をＰ３とし、指向角の端の方位に対応する海底位置をＰ４とする。簡単のために、海中での伝搬損失の影響を無視し、Ｐ１、Ｐ２、Ｐ３、Ｐ４からの海底エコー信号だけに着目する。海底位置Ｐ１、Ｐ２からの海底エコー信号Ｅ１とＥ２との時間差をＴとすると、海底位置Ｐ３、Ｐ４からの海底エコー信号Ｅ３とＥ４との時間差は２Ｔとなる。本発明では送信パルス幅を海底深度に比例させているので、海底エコー信号Ｅ１、Ｅ２の幅をτとすると、海底エコー信号Ｅ３、Ｅ４の幅は２τとなる。したがって、異なる深度の海底位置Ｐ１、Ｐ２およびＰ３、Ｐ４からの海底エコーＥ１、Ｅ２およびＥ３、Ｅ４を合成した合成信号Ｇ１、Ｇ２の幅Ｔ＋τ、２Ｔ＋２τは海底深度に比例し、２つの合成信号Ｇ１、Ｇ２の波形は相似になる。すなわち、一方の波形を時間軸方向と振幅軸方向に圧縮あるいは拡大すれば、他方の波形に一致する。両者の時間幅の比は海底深度の比（この例では２）に等しい。したがって、合成信号Ｇ１、Ｇ２から海底深度に比例する時間間隔で抽出した振幅データＦ１、Ｆ２のデータ数は等しく、しかも、両データの値は定数倍を除いて一致する。

ゲイン補正部１０は、振幅データ抽出部９で抽出した振幅データに対してＴＶＧ（Ｔｉｍｅ Ｖａｒｉａｂｌｅ Ｇａｉｎ）処理を施す。このＴＶＧ処理によって、超音波信号の伝搬損失に起因する受信信号レベルの減衰量が補正される。図１ではゲイン補正部１０を振幅データ抽出部９の後段に配置しているが、前段に配置してもよい。平滑化部１１は、ゲイン補正した振幅データを平滑化する。具体的には、複数回の同じ周波数（５０ｋＨｚあるいは２００ｋＨｚ）の処理サイクルで得た振幅データを、データ番号ごとに平均する。ｋ回目の処理サイクルで平滑化部１１が出力する値は、例えば、（ｋ−４)回目からｋ回目までの５回の処理サイクルで得られた振幅データの平均値である。平滑化処理は、本発明の必須事項ではないが、船体の僅かな動揺やノイズなどによる振幅データ値の変動を抑制し、底質判別結果の安定性を向上させる。

正規化部１２は、平滑化した振幅データをそれらの最大値で正規化する。図３に、正規化した振幅データの系列をグラフで示す。振幅データを正規化することによって、底質判別結果が振動子１の感度の経年変化や海面付近の気泡などによる受信レベルの変動に影響されなくなる。本発明では、海底深度に比例したパルス幅の送信パルスを振動子１から発射し、海底エコー信号の所定範囲から海底深度に比例する時間間隔で振幅データを抽出し、抽出した振幅データに対してＴＶＧ処理を施し、さらにＴＶＧ処理後の振幅データを正規化している。この結果、正規化後の振幅データは、底質が同じであれば、海底深度によらず同じになる。したがって、正規化後の振幅データから算出する特徴量に基づいて底質を判別する本発明では、底質判別結果は海底深度に依存しない。すなわち、底質が同じであれば、海底深度が異なっても底質判別結果は同じになる。

図３に示すように、特徴量算出部１３は、正規化した振幅データの系列における７個の区間（これをセグメントとよぶ）Ｓ１〜Ｓ７について、各セグメント内の振幅データの合計値（これを特徴量とよぶ）を算出する。特徴量は、５０ｋＨｚおよび２００ｋＨｚの処理サイクルごとに算出される。図３に示す例では、セグメント数は７個であり、セグメント幅（セグメント内の振幅データの個数）は等しい。また、各セグメントＳ１〜Ｓ７に含まれる振幅データの個数を２０程度としているが、このようになるように、上述のデータ番号間隔ＲやＡ／Ｄ変換器４のサンプリング周波数が決められている。セグメントＳ４とＳ５との間では、振幅データの値が小さくノイズの影響を受けやすいため、この部分からは特徴量を算出していない。

海底１次エコーのピークから離れたセグメントＳ３、Ｓ４から特徴量を算出するのは、振動子１のサイドローブ方向からの海底１次エコー信号を底質判別に利用するためである。また、海底２次エコー信号のセグメントＳ５〜Ｓ７から特徴量を算出するのは、海底面の反射率の指標となる情報を底質判別に利用するためである。なお、セグメントＳ１のように信号レベルの大きいセグメントについては、セグメント内の振幅データのうち、所定の閾値（例えば、０．５）よりも大きい振幅データについて、各振幅データの値から閾値を減算した値を合計し、この合計値を特徴量としてもよい。図４に例示する２つの振幅データのグラフ４１、４２では、値が０を超える部分の面積が等しいのに対して、値が０．５を超える部分の面積は異なる。したがって、閾値を０として算出した特徴量と、閾値を０．５として算出した特徴量の両方を用いることで、振幅データ４１と４２を識別でき、底質判別確度を高めることができる。また、ノイズによって生じる振幅データよりも大きな値を閾値とすれば、ノイズが判別結果に及ぼす悪影響を緩和することができ、底質判別確度を高めることができる。

図３に示す例では、セグメント数を７個とし、セグメント幅を等しくし、隣り合うセグメントを重複させていないが、これに限定されるものではなく、セグメント数を増減し、セグメント幅を不均等にし、あるいは隣り合うセグメントの一部を重複させてもよい。さらには、振動子１の指向特性や送信パルスの周波数に応じて、最適なセグメント数とセグメント幅とを決めるのが望ましい。なお、本実施形態ではセグメントＳ４とＳ５との間も含む範囲から振幅データを抽出したが、セグメントＳ１〜Ｓ４およびＳ５〜Ｓ７に相当する範囲だけから振幅データを抽出するようにしてもよい。

また、ここでは各セグメント内の振幅データを合計することにより特徴量を算出したが、各セグメント内の振幅データ値の標準偏差を用いて、あるいは各セグメント内の振幅データから算出したモーメントの値を用いて特徴量を算出することができる。モーメントの算出方法を説明する。あるセグメント内の振幅データの個数をＭとし、これらの振幅データの系列をｘ［ｎ］（ｎ＝０，１，２，・・・，Ｍ−１）とする。各振幅データｘ［ｎ］を全振幅データの合計値Ｓで除算して重み系列ｗ［ｎ］を算出する。すなわち、次式にしたがってｗ［ｎ］を算出する。

次に、次式にしたがって、系列ｘ［ｎ］の重心Ｃを算出する。

２次モーメントμ_２を次式に従って算出する。

３次モーメントμ_３を次式に従って算出する。

２次モーメントμ_２は、セグメント内の振幅データの系列に関する、時間軸方向の広がりの指標となる。また、次式で定義される歪度ｇは、同じ系列に関する、時間軸方向の非対称性の程度と方向を示す指標となる。

したがって、２次モーメントや歪度から特徴量を算出することができる。

ニューラルネットワーク１４は、階層型ニューラルネットワークであり、特徴量算出部１３から出力される特徴量に基づいて底質判別情報を生成する。ここでは、５０ｋＨｚおよび２００ｋＨｚの処理サイクルで得た１組の特徴量（特徴量セットとよぶ）をニューラルネットワーク１４の入力変数としている。また、出力変数の個数を４個とし、各出力変数が底質種別｛岩，石，砂，泥｝との類似度を示す数値となるように、シナプス結合係数が決められている。シナプス結合係数は演算制御部１７のメモリに予め記録されている。次に、シナプス結合係数の決め方について説明する。まず、海底の底質がそれぞれ岩、石、砂、泥である各場所で、底質判別装置１００を用いて多数の特徴量セットが収集されるとともに、水中カメラなどで実際に底質種別が確認される。次に、パーソナルコンピュータを用いて、上記の収集された特徴量セットと確認された底質種別とから、誤差逆伝搬法によってシナプス結合係数が決められ、このシナプス結合係数が底質判別装置１００の演算制御部１７のメモリに格納される。

つまり、ニューラルネットワーク１４は、底質種別が既知である、それぞれの底質種別の海底からの海底エコーより算出した特徴量と既知の底質種別とから得たシナプス結合係数（参照情報）を用いて、底質を判別する海底からの海底エコーより算出した特徴量に基づいて、底質種別との類似度を示す数値（底質判別情報）を生成する。なお、出力変数の個数は４個に限られるものではない。また、各出力変数に対応する底質種別は、｛岩, 石, 砂, 泥｝に限られるものではない。

表示処理部１５は、上記の４個の出力変数の数値、すなわち底質判別情報を表示用データに変換して表示部１６に表示する。図５は底質判別情報の表示例を示す。表示部１６の画像は、底質を判別しながら沈船の上を通過したときの画像であり、矢印５４が沈船の位置を示す。この画像の上半分は、通常の魚群探知機が表示するものと同じ画像である。５１は送信駆動信号に直接起因する画像、５２は海底面の画像である。５３が底質判別情報の画像であり、全体に対する上記の各数値の比率に応じた幅の画像５３ａ〜５３ｄからなる。画像５３ａ〜５３ｄは、識別可能に（例えば赤色、黄色、青色、灰色で）縦方向に沿って表示される。ここでは、画像５３ａ〜５３ｄの幅が、それぞれ判別対象の底質と｛岩，石，砂，泥｝との類似度を表す。沈船は岩と同様に、海底面から突出して起伏に富み、その表面は硬い。これに対応して、底質判別情報の画像５３は、沈船が岩との類似度が高いことを示している。このように底質判別情報の画像５３が岩や石などの底質種別と判別対象の海底の底質との類似度を示す情報を表示するので、水中カメラなどで実際に底質を確認しなくても、底質とその変化の様子が一目瞭然となる。なお、最も類似度の高い底質種別だけが必要な場合は、当該底質種別だけを表示してもよい。

以上述べた実施形態においては、海底深度に比例する時間間隔で振幅データを抽出することにより、海底深度に依存しない特徴量を求めたが、海底エコー信号の時間幅が海底深度に比例することを利用して、以下のようにして海底深度に依存しない特徴量を求めることもできる。この場合、振幅データ抽出部９は、海底深度に比例する時間間隔ではなく、一定の時間間隔で振幅データを抽出する。特徴量算出部１３は、各セグメントＳ１〜Ｓ７内の振幅データを合計し、さらに各合計値を海底深度に比例する値で除算することにより、海底深度に依存しない複数の特徴量を算出する。つまり、上述の実施形態で示した方法でも、ここで示した方法でも、特徴量を海底深度に比例した値を用いて求めることにより、海底深度に依存しない特徴量を得る。

また、上記実施形態では、２つの異なる周波数の送信パルスを用いて底質を判別する場合について説明したが、送信パルスの周波数は１つでも３つ以上でも本発明を実施することができる。ただし、超音波の指向性は周波数によって変化するので、異なる周波数の送信パルスを用いれば、底質に関する独立な情報を周波数ごとに得ることができ、底質判別確度が向上する。上記実施形態では１個の振動子１から５０ｋＨｚと２００ｋＨｚの送信パルスを交互に送信するようにしたが、互いに異なる指向性を有する５０ｋＨｚ用の振動子と２００ｋＨｚ用の振動子とをそれぞれ設け、両振動子から５０ｋＨｚと２００ｋＨｚの送信パルスを送信するようにしてもよい。この送信を同時におこなう場合には、送受信部において２種類のバンドパスフィルタによって５０ｋＨｚの受信信号と２００ｋＨｚの受信信号とを分離したのち、２系統の受信回路（Ａ／Ｄ変換器や振幅データ抽出部など）によって各周波数での特徴量を並行して算出する。

一般に、海底深度が小さいほど、海底エコー信号の振幅は大きくなり、受信信号が飽和するおそれが生じる。したがって、浅海域（例えば、海底深度が１０ｍ以浅の海域）で送信パワーが低減するように、海底深度の算出値に応じて送受信部２を制御することが望ましい。あるいは、受信信号、例えば検波部５の出力信号から受信信号の飽和の有無を判断し、飽和が生じているときは送信パワーを下げるようにしてもよい。このようにすれば、浅海域で底質を判別するときに、受信信号の飽和による弊害が生じなくなる。

さらに、上記実施形態では、送受信部２での帯域制限によって受信信号中のノイズを除去するようにした。さらに、Ａ／Ｄ変換器４と検波部５との間にデジタルフィルタを配置し、送信パルス幅が大きくなる深海域で受信帯域幅が狭くなるようにフィルタ係数を切り替えるようにすれば、受信信号のＳＮ比が高くなり、底質判別確度がさらに向上する。
さらに、上記実施形態では、正規化した振幅データから特徴量を算出したが、正規化後の振幅データを対数変換し、対数変換後の振幅データから特徴量を算出するようにすれば、振動子１のサイドローブに起因する海底エコーや海底２次エコーなどの微小な振幅データに含まれる底質の情報をより有効に利用できるので、底質判別確度がさらに向上する。

さらに、上記実施形態では、海底深度の深浅に関係なく、１つのシナプス結合係数をニューラルネットワーク１４に適用した。ところで、海底深度が小さいほど、伝搬損失が小さいために、海底エコー信号が飽和しやすくなる。さらに、海底深度が小さいほど、送信パルス幅が小さいので、海底エコー信号は振動子の周波数特性の影響を受けやすくなる。そこで、浅海域（例えば、海底深度が１０ｍ以浅の海域）および深海域にそれぞれ適合するシナプス結合係数を演算制御部１７のメモリに記憶させておき、送信パルス幅あるいは海底深度の算出値に応じて、ニューラルネットワーク１４に適用するシナプス結合係数を選択できるようにすれば、広い深度範囲にわたって良好な底質判別性能を得ることができる。浅海域用および深海域用のシナプス結合係数は、それぞれ浅海域および深海域で得た特徴量を用いて、上述と同様にして求められる。浅海域と深海域との境界付近の深度においては、同一の特徴量セットに浅海域用および深海域用のシナプス結合係数を個別に適用して２つの底質判別情報を生成し、これらを用いて（例えば、両者の線形結合によって）表示用の底質判別情報を生成してもよい。このようにすれば、底質判別結果が境界付近で不連続に変化する弊害が生じなくなる。なお、海底深度に応じた３つ以上のシナプス結合係数を用意して、海底深度に該当するシナプス結合係数を選択するようにしてもよい。さらに、送信パルス幅あるいは海底深度算出値に応じて、上記のセグメント数やセグメント幅（図３参照）、振幅データの閾値（図４参照）を変えるようにしてもよい。

さらに、上記実施形態では、送信パルスを正弦波信号としたが、正弦波信号のかわりにリニアＦＭ信号（周波数が一定の速さで増加あるいは減少する信号）などの周波数変調信号や位相変調信号を用いれば、送信パルスの海底照射面内で反射した無数の反射波間の伝搬距離差に起因する海底エコー信号の振幅変動量が抑えられ、正規化に用いる振幅データの最大値が安定するので、底質判別結果の安定性がさらに向上する。

さらに、上記実施形態では、海底深度に比例するパルス幅の送信パルスを送信するようにしたが、これに代えて、海底深度に反比例する帯域幅を有する周波数変調信号あるいは位相変調信号の送信パルスを送信するとともに、これらの送信パルスに適合したマッチドフィルタを海底エコー信号に適用することもできる。このマッチドフィルタはＡ／Ｄ変換器４と検波部５との間に配置される。例えば、海底深度が５０ｍ、１００ｍ、２００ｍのとき、送信パルスの帯域幅をそれぞれ２ｋＨｚ、１ｋＨｚ、０．５ｋＨｚとする。また、海底深度が７０ｍ〜９０ｍ、９０ｍ〜１１０ｍのとき、送信パルスの帯域幅をそれぞれ１．２５ｋＨｚ、１ｋＨｚとして、階段状に海底深度に反比例させてもよい。つまり、送信パルスの帯域幅を海底深度に正確に反比例させてもよいし、略反比例させるだけでもよい。このようにすることで、海底深度に比例するパルス幅の送信パルスを送信する場合と同様に、海底深度の深浅の影響を受けることなく海底の底質を判別することができる。また、送信パルスの海底照射面内で反射した無数の反射波間の伝搬距離差に起因する海底エコー信号の振幅変動量を抑えることができる。さらに、送信パルスのパルス幅を長くすることで、マッチドフィルタ出力でのＳＮ比が増大し、底質の判別結果の信頼性がさらに向上する。

本発明に係る底質判別装置の構成を示すブロック図である。 海底深度に比例するパルス幅の送信パルスを送信することによって得られる効果を説明する図である。 正規化した振幅データとセグメントとを示す図である。 正規化した振幅データと閾値とを示す図である。 底質判別情報の表示例を示す図である。 従来の底質判別における海底エコーを示す図である。 海底深度によらず一定のパルス幅の送信パルスを送信することによって生じる弊害を説明する図である。

符号の説明

１ 振動子
２ 送受信部
４ Ａ／Ｄ変換器
５ 検波部
７ 深度算出部
８ 送信パルス幅算出部
９ 振幅データ抽出部
１０ ゲイン補正部
１２ 正規化部
１３ 特徴量算出部
１４ ニューラルネットワーク
１６ 表示部
１００ 底質判別装置

Claims (9)

1. 振動子から海底へ向けて超音波の送信パルスを送信し、振動子が受信する海底エコー信号に基づいて海底の底質を判別する底質判別装置であって、
   海底深度に比例するパルス幅の送信パルスを送信する送信手段と、
   振動子が受信する海底エコー信号の所定範囲から所定の時間間隔で当該海底エコー信号の振幅データを抽出する抽出手段と、
   前記抽出手段で抽出した振幅データであって、ＴＶＧ処理が施された振幅データを正規化する正規化手段と、
   前記正規化手段で正規化した振幅データの系列における複数の区間のそれぞれについて、各区間内の振幅データから複数の特徴量を算出する特徴量算出手段と、
   前記特徴量算出手段で算出した複数の特徴量に基づいて底質判別情報を生成する生成手段と、を備え、
   前記抽出手段が海底深度に比例する時間間隔で前記振幅データを抽出することにより、あるいは前記特徴量算出手段が、海底深度に比例する値を用いて、前記各区間内の振幅データから前記特徴量を算出することにより、海底深度に依存しない前記特徴量が得られることを特徴とする底質判別装置。
2. 請求項１に記載の底質判別装置において、
   前記海底エコー信号の所定範囲には、海底１次エコー信号および海底２次エコー信号が含まれることを特徴とする底質判別装置。
3. 請求項１または請求項２に記載の底質判別装置において、
   前記特徴量算出手段が、前記各区間内の振幅データのうち、当該各区間における閾値よりも大きい振幅データから当該閾値を減算した値を合計することにより前記複数の特徴量を算出することを特徴とする底質判別装置。
4. 請求項１から３のいずれかに記載の底質判別装置において、
   前記送信手段は、周波数あるいは指向性の異なる第１および第２の送信パルスを送信し、
   前記特徴量算出手段は、第１および第２の送信パルスに係る特徴量をそれぞれ算出し、
   前記生成手段は、第１および第２の送信パルスに係る特徴量に基づいて底質判別情報を生成することを特徴とする底質判別装置。
5. 請求項１から４のいずれかに記載の底質判別装置において、
   前記生成手段は、底質種別が既知である、それぞれの底質種別の海底からの海底エコー信号より算出した前記特徴量と既知の底質種別とから得た参照情報を用いて、底質を判別する海底からの海底エコー信号より算出した前記特徴量に基づいて、前記底質判別情報を生成することを特徴とする底質判別装置。
6. 請求項５に記載の底質判別装置において、
   前記生成手段は、浅海域および深海域での海底エコー信号から得た浅海域用および深海域用の前記参照情報を有し、前記海底深度に応じて選択した浅海域用または深海域用いずれかの参照情報を用いて前記底質判別情報を生成することを特徴とする底質判別装置。
7. 請求項１から６のいずれかに記載の底質判別装置において、
   前記底質判別情報は、底質を判別する海底の底質と複数の底質種別との類似度をそれぞれ表す数値からなり、
   全体に対する底質種別ごとの当該数値の比率を示す情報が表示部に表示されることを特徴とする底質判別装置。
8. 請求項１から７のいずれかに記載の底質判別装置において、
   前記送信パルスが周波数変調信号あるいは位相変調信号であることを特徴とする底質判別装置。
9. 振動子から海底へ向けて超音波の送信パルスを送信し、振動子が受信する海底エコー信号に基づいて海底の底質を判別する底質判別方法であって、
   海底深度に比例するパルス幅の送信パルスを送信する工程と、
   振動子が受信する海底エコー信号の所定範囲から所定の時間間隔で当該海底エコー信号の振幅データを抽出する工程と、
   前記抽出した振幅データであって、ＴＶＧ処理が施された振幅データを正規化する工程と、
   前記正規化した振幅データの系列における複数の区間のそれぞれについて、各区間内の振幅データから複数の特徴量を算出する工程と、
   前記算出した複数の特徴量に基づいて底質判別情報を生成する工程と、を備え、
   前記振幅データを抽出する工程が海底深度に比例する時間間隔で前記振幅データを抽出することにより、あるいは前記特徴量を算出する工程が、海底深度に比例する値を用いて、前記各区間内の振幅データから前記特徴量を算出することにより、海底深度に依存しない前記特徴量が得られることを特徴とする底質判別方法。

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