JP4892177B2

JP4892177B2 - デジタル測深機モジュール及び検知方法

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Publication number: JP4892177B2
Application number: JP2004171932A
Authority: JP
Inventors: ステンソガード
Original assignee: Raymarine Ltd
Current assignee: Raymarine UK Ltd
Priority date: 2003-11-12
Filing date: 2004-06-09
Publication date: 2012-03-07
Anticipated expiration: 2024-06-09
Also published as: JP2005148050A

Description

本発明は、ソナーシステムとそのソナーシステムによる検知方法に関する。特に、本発明は、ソナーシステム及びリクリエーション用の魚群探知機として使用するための検知方法に関する。

ソナーシステム（例えば水中音波検知器など）は、典型的には発信器、トランスデューサ、受信器及び表示器からなる。ソナーシステムの発信器は、電気インパルスを送信する。トランスデューサは、電気インパルスを音波（ｓｏｕｎｄｗａｖｅ）に変換し、水中に音波を送る。音波が測定物体にぶつかると、音波ははね返されソナーシステムに戻ってくる。ソナーのリターン波は、ソナーシステムのトランスデューサにぶつかり、そのトランスデューサは、ソナーのリターン波を電気信号に変換する。受信器は、ソナーのリターン電気信号をフィルターし、増幅し、検知し、検知後にソナーのリターン信号をデジタル信号に変換し、表示器（ディスプレイ）に増幅された信号を送る。

従来のソナーシステムの受信器部門は、アナグロフィルターとアナログ検知器からなる（特許文献１及び特許文献２参照）。このような従来のソナー受信器部門は、フィリップスのＳＡ６０４「高性能低出力ＦＭＩＦシステム」を使用して構築できる。フィリップスのＳＡ６０４は、２つの制限した中間周波数増幅器、正方形求積法検知器、弱音器、対数受信信号強度指示器及び電圧調整器を導入している一体型の低出力ＦＭ中間周波数（ＩＦ）システムである。フィリップスのＳＡ６０４は、中間周波数増幅器として使用するためのラジオに典型的に用いられている。フィリップスのＳＡ６０４は、入力された中間周波数の信号強度の対数表示を出力するために、受信信号強度指示器（ＲＳＳＩ）を含んでいる。

従来のソナーシステムの問題点は、製造中に手動で周波数を合わせ、さらにもっと後に中心周波数に調節しなければならないことである。結果として、チューニングは特定のトランスデューサを用いることによっては最適化することができない。
さらに、従来のソナーシステムの問題点は、周波数帯域幅が固定されていることである。固定された周波数帯域幅は、ソナーシステムが浅い水中及び深い水中の両方での最適時／周波数応答の検索を不可能にする。

従来のソナーシステムは、約１２０ｄＢの動作範囲を有している。２０ビットの最小分解能を有するアナログからデジタルへの変換器は、動作範囲内でソナーのリターン波をデジタル的に抜き取ることが要求される。市販の入手可能な、２０ビットの分解能を有するアナログからデジタルへの変換器は、レクリエーション用の魚群探知機として使用するには価格が高過ぎる。
ＵＳＰ６４１８０８０公報ＵＳＰ６４４５６４６公報

本発明は、上記課題を解決し、高感度で広い動作範囲を有し、プログラマブル周波数及びプログラマブルバンド幅を有するソナーシステムを提供することを目的とする。また、本発明は、ソナーのリターン波をデジタルフィルトレーション（ｄｅｇｉｔａｌｆｉｌｔｒａｔｉｏｎ）及びデジタル検知を実行する方法を提供することを目的とする。
本発明は、ソナーの搬送波のデジタルフィルター及びデジタル検知を実行するソナーシステムを提供することを目的とする。
また、本発明は、高感度で広い動作範囲を有するソナーシステムを提供することを目的とする。

また、本発明は、プログラマブル周波数を有するソナーシステムを提供することを目的とする。
また、本発明は、特定のトランスデューサを用いて最適化できる自動チューニングを有するソナーシステムを提供することを目的とする。
また、本発明は、プログラマブルバンド幅を有するソナーシステムを提供することを目的とする。
また、本発明は、浅い水中及び深い水中の両方での最適時／周波数応答を備えたソナーシステムを提供することを目的とする。
さらに、本発明は、低価格で魚群探知機での使用が好適である市販の入手可能な部品を有するソナー受信機部門を提供することを目的とする。

すなわち、本発明は、ソナー搬送波を発生する手段と、帯域フィルターと、高感度を提供し、広い動作範囲を広げるための前置増幅器と、超ヘテロダイン検知器のデジタル履行を提供し、中間周波数を発生するためのアナログからデジタルへの変換器と、前置増幅器のゲインを制御し、中間周波数をデジタルフィルターするためのプログラマブルロジック装置と、及びマイクロプロセッサーとからなることを特徴とするデジタル測深機モジュールを提供する。
また、本発明は、選択周波数とパルスレートで音響ソナー波を送信し、該送信された音響ソナー波が測定物体から反射されたエコーを受信し、さらに、該受信された音響ソナー波を電気的な第１信号に変換するためのソナートランスデューサと、該第１信号について第１の幅広帯域フィルトレーションを実行し、第２信号を生じさせるための帯域フィルターと、該第２信号に制御増幅を実行し、第３信号を生じさせるための増幅器と、該第３信号を受信し、該第３信号のデジタルサンプリングを実行するためのアナログからデジタルへの変換器と、前記増幅器に可変ゲイン制御信号を供給し、前記ソナートランスデューサから前記エコー反射源までの距離につり合っているゲインを増加させることにより、前記第２信号の範囲内で反射されたエコーの増幅を標準化するためのプログラマブルロジック装置と、マイクロプロセッサーとからなることを特徴とするデジタル測深機モジュールを提供する。

また、本発明は、上記デジタル測深機モジュールにおいて、帯域フィルターが広いバンドにされているデジタル測深機モジュールを提供する。
また、本発明は、上記デジタル測深機モジュールにおいて、帯域フィルターが５０ｋＨｚ又は２００ｋＨｚあたりに中心が合わされているデジタル測深機モジュールを提供する。
また、本発明は、上記デジタル測深機モジュールにおいて、帯域フィルターが１０ｋＨｚ〜２００ｋＨｚの間のいかなる周波数もフィルターするために修正されているデジタル測深機モジュールを提供する。

また、本発明は、上記デジタル測深機モジュールにおいて、前置増幅器がプログラム可能であり、どのような深さ／パルス幅でも最適な性能を提供するデジタル測深機モジュールを提供する。
また、本発明は、上記デジタル測深機モジュールにおいて、前記可変ゲイン制御信号が、パルスエコーの最初の受信からパルスエコーの最終の受信までの時間の間ずっとゲインを増加することにより、ソナーパルスの増幅を標準化するデジタル測深機モジュールを提供する。
また、本発明は、上記デジタル測深機モジュールにおいて、増幅器のゲインがデジタルプログラマブルフィードバックレジスタによりセットされているデジタル測深機モジュールを提供する。

また、本発明は、上記デジタル測深機モジュールにおいて、前置増幅器が、浅い水中でのゲインを減少することにより、表面散乱と背景ノイズを減少させる感度時間制御機能を提供するデジタル測深機モジュールを提供する。
また、本発明は、上記デジタル測深機モジュールにおいて、前記増幅器が、プログラマブルロジック装置から送られたゲインカーブによりデジタル的に制御されているデジタル測深機モジュールを提供する。
また、本発明は、上記デジタル測深機モジュールにおいて、ゲインカーブが深さと共に増加し、プログラマブルフィルターの連続的な再プログラミングをするデジタル測深機モジュールを提供する。

また、本発明は、上記デジタル測深機モジュールにおいて、アナログからデジタルへの変換器が、ソナー搬送波を、調波サブサンプリングとして作用するデジタル化リターン信号に変換するための変換レートからなり、そのソナー搬送波は中間周波数に変換されているデジタル測深機モジュールを提供する。
また、本発明は、上記デジタル測深機モジュールにおいて、プログラマブルロジック装置が、メインプロセッサー用の共同プロセッサーとして作動するデジタル測深機モジュールを提供する。
また、本発明は、上記デジタル測深機モジュールにおいて、プログラマブルロジック装置が、非一連性のウインドー位相内／直角検知器の簡素化された履行を実施し、中間周波数のリターン信号をデジタル的にフィルターするデジタル測深機モジュールを提供する。

さらに、本発明は、ソナートランスデューサから選択周波数とパルスレートで音響ソナー波を送信し、該送信された音響ソナー波が測定物体から反射されたエコーであるソナー搬送波を受信し、該ソナー搬送波を深い水中で高性能を与えるために狭い帯域を選び、浅い水中のために広い帯域を選ぶプログラマブルロジック装置で制御した調整可能な帯域フィルターで限定し、可変ゲイン制御信号を供給し、前記ソナートランスデューサから前記エコー反射源までの距離につり合っているゲインを増加させることにより、前記フィルターされたソナー搬送波信号の範囲内で反射されたエコーの増幅を標準化するためのプログラマブルロジック装置で制御した最小ゲインのレベルで始まり、時間の経過につれてゲインを増加させ、浅いエコーと深いエコーからの信号間の大きさの著しい違いを少なくするための形を有するゲインカーブによりセットされている前置増幅器で該フィルターされたソナー搬送波を増幅し、該増幅されたソナー搬送波をアナログからデジタルへの変換器に送り、該アナログからデジタルへの変換器をプログラマブルロジック装置で制御して、該増幅されたソナー搬送波をデジタル信号へ変換するナイキストサンプリングレートよりも上の周波数であることを保証するサンプリングレートで調波サンプリングを実行し、増幅されたソナー搬送波をデジタル中間周波数に変換して、該ソナー搬送波の中間周波数を生じさせ、該ソナー搬送波をデジタル的にフィルターし、該ソナー搬送波をデジタル的に検知することを特徴とするソナー搬送波の検知方法を提供する。

本発明のソナーシステムは、高感度で広い動作範囲で駆動させることができ、また、本発明のソナーシステムによる検知方法は、ソナーリターン波をデジタルフィルターし、かつデジタル検知することができる。

本発明の一つは、デジタル測深機モジュール（ｄｉｇｉｔａｌｓｏｕｎｄｅｒｍｏｄｕｌｅ）である。デジタル測深機モジュールは、ソナー搬送波を発生する手段、帯域フィルター、高感度を提供し、広い動作範囲を広げるための前置増幅器、及び超ヘテロダイン検知器のデジタル履行を提供し、中間周波数を発生するためのアナログからデジタルへの変換器を有する。また、デジタル測深機モジュールは、前置増幅器のゲインを制御し、中間周波数をデジタルフィルターするためのプログラマブルロジック装置、及びマイクロプロセッサーを有している。

また、本発明の他のものは、ソナーリターン波のデジタルフィルトレーション及びデジタル検知を実行するための方法に関する。このソナー搬送波の検知方法は、ソナー搬送波を受信し、そのソナー搬送波を帯域フィルターで限定し、フィルターされたソナー搬送波を前置増幅器で増幅することからなる。さらに、この検知方法は、その増幅されたソナー搬送波をアナログからデジタルへの変換器に送り、ソナー搬送波の中間周波数を発生させる。次いで、前置増幅器及びアナログからデジタルへの変換器をプログラマブルロジック装置で制御する。次に、ソナー搬送波をデジタル的にフィルターし、ソナー搬送波をデジタル的に検知する。

図１には、本発明によるソナーシステム１００が図示されている。ソナーシステム１００は、ソナーの音波１０１、ソナーリターン波１０２、トランスデューサ１０３、ソナーリターン信号１０４、デジタル測深機モジュール（ＤＳＭ）１５０、及び表示器１２４を含む。デジタル測深機モジュール１５０は、帯域フィルター１０６、フィルターされたリターン信号１０８、前置増幅器（プリアンプ）１１０、増幅されたリターン信号１１２、アナログからデジタルへの変換器（Ａ／Ｄ変換器）１１４、中間周波数（ｉｎｔｅｒｍｅｄｉａｔｅｆｒｅｑｕｅｎｃｙ（ＩＦ））のリターン信号１１６、プログラマブルロジック装置（ＰＬＤ）１１８、デジタル化リターン信号１２０、マイクロプロセッサー１２２、圧縮信号１２３、及び図８Ｃに示されたような前置増幅器ゲインカーブ１２６を含む。

図７に示されるように、船９９に据え付けられたソナーシステム１００のトランスデューサ１０３は、ソナーの音波１０１を水中に送信する。ソナーの音波１０１が模範的な測定物体Ａ、Ｂ及びＣなどの測定物体にぶつかると、ソナーの音波１０１は、はね返され、ソナーシステム１００のトランスデューサ１０３に戻ってくる。ソナーリターン波１０２は、ソナーシステム１００のトランスデューサ１０３にぶつかる。
トランスデューサ１０３は、船体の端から端に、船体の中に、又は明り取り窓に据え付けられてもよい。トランスデューサ１０３は、模範的な態様では、５０ｋＨｚ又は２００ｋＨｚのいずれかでソナーの音響波を発するが、本発明の教示によれば、どのようなソナー波にもすることができる。

トランスデューサ１０３は、ソナーリターン波１０２を、水中の測定物体からのソナー波１０１の一連の反射として、また、ソナーの検知能力範囲内であるならば、水という物体の底からの反射として、受信する。そのエコーのリターン時間を測定することにより、伝波距離が決定できる。受信されたエコーは、電気的なソナーリターン信号１０４に変換される。その後、トランスデューサ１０３は、ソナーリターン信号１０４をデジタル測深機モジュール１５０に送る。三つのエコーを有する典型的なソナーエコーのリターン信号１０４の一般的な特性は、極めて簡素化された形で、図８Ａに図示されている。

プログラマブルロジック装置は、システムをコントロールし、リターンエコー特性に左右される、予期されるピング（ｐｉｎｇ）の深さ、又はユーザーが選んだソナーのパラメータなどのようなパラメータに調整する。ほとんど省略していない最初の無修正の信号を通過させるために、第１帯域フィルター１０６は最も広い帯域にセットされている。測定物体の深さに応じて調整するプログラマブル帯域フィルターは、プログラマブルロジック装置の中にある。狭い帯域フィルターは、深い水中で高性能を与えるために、そのプログラマブルロジック装置によって選ばれ、広い帯域は浅い水中のために選ばれる。トランスデューサ１０３のピングは、２秒毎に１回から１秒当たり２６回まで送られ、また、より深い水中では、２秒毎に１回よりは少なく、より浅い水中では、１秒当たり２６回よりは多く送られる。プログラマブルロジック装置は、あまり頻繁でないパルスで狭い帯域を、かなり頻繁なパルスレートで広い帯域を調和する。

図８Ａに図示されているように、信号１０４は、トランスデューサ１０３の周波数に左右される５０ｋＨｚ又は２００ｋＨｚの搬送周波数を有している。波形（Ａ、Ｂ及びＣ）の増加された大きさの領域は、水中の測定物体によって反射された信号であるエコーを示している。３つのエコーは、説明を簡素にするために
示されている。リターンソナーは、もっと多いエコーを持ってもよいし、もっと少ないエコーを持ってもよい。波に沿った横軸の位置は、測定物体の深さを示している。エコーＡは、測定物体Ｂよりも表面に近い測定物体Ａからの反射であり、測定物体Ｂは、測定物体Ｃよりも測定物体Ａにより近くになっている。大きくなっている波の領域の波の大きさｍと持続期間ｌは、反射されたエコーを引き起こしている測定物体の大きさを示している。しかし、音響ソナーエコーの反射の特性のために、同様なサイズの測定物体のエコー反射は、測定物体までの距離に左右される大きさをかなり変化させることができる。

デジタル測深機モジュール１５０（ＤＳＭ１５０）は、ソナーシステム１００の受信機である。ＤＳＭ１５０の好ましい態様は、プログラマブル周波数とプログラマブルバンド幅を有する超ヘテロダイン検知器のデジタル履行である。ＤＳＭ１５０は、１０ｋＨｚから２００ｋＨｚｍまでのプログラマブル周波数の範囲を提供する。ＤＳＭ１５０は、トランスデューサ１０３からソナーリターン信号１０４を受信し、ソナーリターン信号１０４は、帯域制限されている帯域フィルター１０６に入力される。

帯域フィルター１０６は、典型的な広いバンドの帯域フィルターである。帯域フィルター１０６は、好ましい態様では、５０ｋＨｚ又は２００ｋＨｚあたりに中心を合わせる（５０ｋＨｚ又は２００ｋＨｚは、水の深さのような条件に基づいてプログラマブルロジック装置１１８によって決められるように、トランスデューサ１０３からの信号の周波数に左右される。）。周波数の選択は以下に記載するような種々のファクターに基づいてプログラマブルロジック装置１１８によって制御される。この制御は、１０ｋＨｚと２００ｋＨｚの間のどのような周波数もフィルターするために容易に修正できる。帯域フィルター１０６は、前置増幅器１１０にフィルターされた信号８Ｂを提供する。帯域フィルター１０６は、フィルターされたリターン信号１０８を前置増幅器１１０に送り、前置増幅器１１０では、可変ゲインに応じて修正される。

前置増幅器１１０は、多目的の演算増幅器を用いた２−ステージの作動可変ゲイン増幅器である。前置増幅器のゲインは、ゲインカーブ１２６によってセットされる。前置増幅器１１０は、高感度で広い動作範囲を持ったデジタル測深機モジュールを提供する。前置増幅器１１０の高感度と広い動作範囲により、デジタル測深機モジュール１５０の要求される動作範囲を維持する限り、低分解能を有する低価格のＡ／Ｄ変換器を使用することができる。前置増幅器１１０は、プログラマブルロジック装置１１８によってデジタル的に制御される。前置増幅器１１０は、プログラマブルロジック装置１１８によって送られた前置増幅器のゲインカーブ１２６に基づいて、フィルターされたリターン信号１０８を増幅する。

図８Ｃに図示されているように、ゲインカーブ１２６は、最小ゲインのレベルで始まり、時間の経過につれて前置増幅器１１０に提供されるゲインを増加させる。この方法は、より深い深度からのエコーは、浅い深度からのエコーよりもかなり大きなゲインを受ける。ゲインカーブの形は、本発明の重要な点であり、浅いエコーと深いエコーからの信号間の大きさの著しい違いを少なくするために採用される。ソナーは、水中で著しく弱められるので、エコーの反射源が深ければ深い程、弱まる程度は大きくなる。時間と共に増加するゲインを提供することによって、エコーの大きさの違いは、部分的に償うことができる。図８Ａに図示された大きさの違いは、図８Ｄで図示されているように部分的に償われている。前置増幅器１１０は、図８Ｄのように償われたリターン信号１１２をＡ／Ｄ変換器１１４に出力する。

前置増幅器ゲインカーブ１２６は、深さに応じて増加し、プログラマブルフィルターの連続的な再プログラミングを可能にする。それによって、どのような深さ／パルス幅でも最適な性能を提供する。
前置増幅器のゲインカーブ１２６は、浅い水中でのゲインを減らすことにより、表面の散乱と背景のノイズを減らす感度時間制御機能を提供する。
Ａ／Ｄ変換器１１４は、アナログからデジタルへの変換器である。Ａ／Ｄ変換器１１４の好ましい態様は、リニヤーテクノロジーコーポレーション製の「ＬＴＣ１８６１」（登録商標）である。「ＬＴＣ１８６１」は、ソフトウエア選択可能な２−チャンネルのマルチプレクサを提供する１２ｂｉｔのＡ／Ｄ変換器である。

増幅された搬送波は、Ａ／Ｄ変換器によりデジタルに変換される。搬送波がデジタルに変換されるときのレートは、調波サブサンプリングとして作用し、搬送波は、デジタル化されるとき中間周波数に変換される。Ａ／Ｄ変換器１１４は、増幅されたリターン信号１１２を中間周波数のソナーリターン信号１１６に変換する。Ａ／Ｄ変換器１１４は、中間周波数のソナーリターン信号１１６を出力し、プログラマブルロジック装置１１８に送る。

プログラマブルロジック装置１１８は、メインプロセッサー１２２のための共プロセッサーとして作動する。プログラマブルロジック装置１１８の好ましい態様は、「ＸＩＬＩＮＸスパルタンＩＩｅＸＣ２Ｓ３００Ｅ」（登録商標）である。プログラマブルロジック装置１１８は、中間周波数のソナーリターン信号１１６をデジタル的にフィルターするために、非一貫性ウインドー化位相内／直角検知器（ｎｏｎｃｏｈｅｒｅｎｔｗｉｎｄｏｗｅｄｉｎｐｈａｓｅ／ｑｕａｄｒａｔｕｒｅｄｅｔｅｃｔｏｒ）の簡素化された履行を採用する。

中間周波数のソナーリターン信号１１６をデジタル的にフィルターするための方法は、図２〜図５に図示されており、以下により詳細に説明する。プログラマブルロジック装置１１８は、前置増幅器ゲインカーブ１２６を出力し、前置増幅器１１０を制御し、また、デジタル化信号１２０をマイクロプロセッサー１２２に出力する。
マイクロプロセッサー１２２は、図６に図示されており、以下により詳細に説明する。
表示器１２４は、マイクロプロセッサー１２２から圧縮された信号１２３を受信し、トランスデューサ１０３によって測定される、水の深さ、温度及び／又は速度などの表示や、また、ＤＳＭ１５０で検知される、二重又は分割周波数の魚群探知機の表示を出力する。

図２は、本発明によるＤＳＭ１５０の機能線図を図示する。ＤＳＭ１５０の機能線図は、ソナーリターン信号１０４、帯域フィルター１０６、フィルターされたリターン信号１０８、前置増幅器１１０、増幅された信号１１２、Ａ／Ｄ変換器１１４、中間周波数のソナーリターン信号１１６、プログラマブルロジック装置１１８、及びデジタル化リターン信号１２０を含む。プログラマブルロジック装置１１８は、ウインドーフィルター２０６、ウインドー化リターン信号２０８、電力測定機能２１０、電力信号２１２、信号圧縮機能２１４、及び前置増幅器ゲインカーブ１２６を含む。

模範的な態様におけるデジタル信号は、単一点フーリエ変換や、プログラマブルカイザーウインドーを使用してフィルターされる。大きさ信号は、対数表示に変換される。
ソナーリターン信号１０４は、帯域フィルター１０６によって限定された帯域である。フィルターされたリターン信号１０８は、プログラマブルロジック装置１１８から送られた前置増幅器ゲインカーブ１２６に基づいて、前置増幅器１１０により増幅される。増幅されたリターン信号１１２は、Ａ／Ｄ変換器１１４に入力され、Ａ／Ｄ変換器では、プログラマブルロジック装置１１８から送られたｃｏｓφの信号で混合され、中間周波数のソナーリターン信号１１６に変換される。プログラマブルロジック装置１１８は、ソナーリターン信号が、ナイキスト周波数より上であることを保証するためのサンプリングレートをセットする。このサブサンプリングの効果は、“ｃｏｓφ信号での混合”として数学的に記載されている周波数シフトである。

プログラマブルロジック装置１１８は、非一貫ウインドー化位相内／直角検知器の簡素化された履行を用いることにより、中間周波数のソナーリターン信号１１６を検知する。プログラマブルロジック装置１１８は、中間周波数のソナーリターン信号１１６のフーリエ変換を実行する。フーリエ変換は、中間周波数のソナーリターン信号１１６を複合リターン信号に変換する。
その複合リターン信号は、位相内検知された信号である実値や、直角検知信号である想像値を含む。プログラマブルロジック装置１１８は、その後、複合リターン信号にウインドーフィルター２０６を掛け合わせる。
ウインドーフィルター２０６は、バンド幅と周波数のロール−オフをセットする。ウインドーフィルター２０６の好ましい態様は、カイザーウインドーである。

電力測定機能２１０は、セットされた周波数点でのウインドー化リターン信号２０８の絶対値を用いることにより、ソナーリターン信号１０４を測定する。
信号圧縮機能２１４は、電力信号２１２のｌｏｇ_２を用いることにより、ＤＳＭ１５０の動作範囲を圧縮し、デジタル化リターン信号１２０を出力する。
ＤＳＭ１５０の中心周波数は、ウインドーフィルター２０６のκ値を調整することにより、変更されることができる。
ＤＳＭ１５０の時間／周波数応答は、ウインドーフィルター２０６のウインドー機能ｗ［ｎ］を調整することにより、変更されることができる。

図３Ａと図３Ｂは、ソナーリターン信号の調波サンプリングを図示している。ＤＳＭ１５０は、調波サンプリングを用いることにより、ソナー搬送波を抜き取る。図３Ａに示されているように、ＤＳＭ１５０は、ナイキストサンプリングレート（サンプリング周波数ｆ_ｓの１／２）よりも上の周波数を含むソナー搬送波をアンダーサンプリング（ｕｎｄｅｒｓａｍｐｌｉｎｇ）する。ソナーリターン信号のこのようなアンダーサンプリング（抜き取り除去）は、ソナー搬送波がベースバンド信号であるので、可能である。図３Ｂに示されるように、ナイキストサンプリングレートよりも低い周波数を含むソナー搬送波は、直接に抜き取られる。Ａ／Ｄ変換器１１４は、増幅されたリターン信号１１２を抜き取り、そして、その増幅されたリターン信号１１２を中間周波数のソナーリターン信号１１６に変換する。

図４は、位相シフトを近似させるためのアルゴリズムを図示する。中間周波数のソナーリターン信号１１６の位相内成分及び直角成分の両方を計算する必要はない。近似は、いずれかの成分を他の成分の９０度位相シフトとして、近似させることにより、代わりに行うことができる。このような近似は、計算の複雑化を半分に減らし、結果として生じる軽微な誤りは少ない。プログラマブルロジック装置１１８は、ウインドーフィルター２０６からのΣｗ［ｎ］ｅ^{（ｊｎθ）／κ}信号のフーリエ変換４００を用いることにより、この位相シフトを近似させる（図２参照）。ここで、ｓｉｇｎ（ｘ）は、ｘ＞０のときは１であり、ｘ＝０のときは０であり、ｘ＜０のときは−１である。位相内検知信号４０２の二乗は、平方関数４０４によって得られる。遅延要素４１５は、位相内検知信号４０２の擬似直角信号４１６を生じさせる。

さらに、擬似直角信号４１６の二乗は、平方関数４１７によって得られる。ユークリッド距離４１２は、位相内信号の二乗値４０５と直角信号の二乗値４１８の合計量４０６の平方根４１０を用いることにより、計算される。その後、デジタル化ソナーリターン信号１２０は、圧縮され、ｌｏｇ_２（）関数４１４により出力される。

図５は、９０度位相外ベクトル間のユークリッド距離を近似させるためのアルゴリズムを図示している。また、この近似は、ソナーリターン信号のいかなるサンプリングロスも生じさせることなくして、複雑さの大幅な減少をもたらす。
フィルターされたデジタル信号は、以前の結果と比較され、近似された大きさは計算される。ここで、大きさ＝ｍａｘ（ｙ［ｎ］，ｙ［ｎ−１］）＋０．５^＊ｍｉｎ（ｙ［ｎ］，ｙ［ｎ−１］）である。この大きさ信号は、近似されたｌｏｇ_２（Ｘ）計算により、対数表現に変換される。近似されたｌｏｇ_２（）は、ｌｏｇ_２（）関数の部分直線近似である。ここで、そのｌｏｇ値は、すべての整数のｌｏｇ_２（）値間で直線近似される。

プログラマブルロジック装置１１８は、ウインドーフィルター２０６からのΣｗ［ｎ］ｅ^{（ｊｎθ）／ｋ}信号のフーリエ変換４００を最初に用いることにより、ユークリッド距離５０６を近似する（図２参照）。ここで、ｓｉｇｎ（ｘ）は、ｘ＞０のときは１であり、ｘ＝０のときは０であり、ｘ＜０のときは−１である。その後、最も長い位相内検知信号５０２の長さは、最も短い位相内検知信号５０３の長さの半分に加えられ、ユークリッド距離５０６の近似を生む。デジタル化ソナーリターン信号１２０は、その後、ｌｏｇ_２（）関数４１４によって圧縮され、出力される。

図６は、部分的直線ｌｏｇ_２（）関数として履行された対数関数を図示している。デジタルソナーモジュールからの大きさ信号の左シフトは、“１”が最も意味のあるｂｉｔにおいて現れるまで行われる。その信号は、マルチプレクサとレジスタを通して送られる。その送られた信号は、整数（ｉｎｔ）と分数（ｆｒａｃ）に分けられる。

本発明は、レクリエーション用の魚群探知機として用いることができる。

本発明によるソナーシステムを図示したものである。本発明によるデジタル測深機モジュールの機能的なダイアグラムである。ソナーリターン信号の調波サンプリングを図示したものである。位相シフトを近似させるためのアルゴリズムを図示したものである。９０度位相外ベクトル間のユークリッド距離を近似させるためのアルゴリズムを図示したものである。部分的直線ｌｏｇ_２（）関数として履行される対数関数を図示したものである。異なる深さの３つの目的物からのエコー反射を受ける船の船体に据え付けられたトランスデューサを図示したものである。図８Ａ〜図８Ｄは、本発明の信号処理によるエコーリターン信号の修正を図示したものである。

Claims

ソナートランスデューサから選択周波数とパルスレートで音響ソナー波を送信し、該送信された音響ソナー波が測定物体から反射されたエコーであるソナー搬送波を受信し、該ソナー搬送波を深い水中で高性能を与えるために狭い帯域を選び、浅い水中のために広い帯域を選ぶプログラマブルロジック装置で制御した調整可能な帯域フィルターで限定し、可変ゲイン制御信号を供給し、前記ソナートランスデューサから前記エコー反射源までの距離につり合っているゲインを増加させることにより、前記フィルターされたソナー搬送波信号の範囲内で反射されたエコーの増幅を標準化するためのプログラマブルロジック装置で制御した最小ゲインのレベルで始まり、時間の経過につれてゲインを増加させ、浅いエコーと深いエコーからの信号間の大きさの著しい違いを少なくするための形を有するゲインカーブによりセットされている前置増幅器で該フィルターされたソナー搬送波を増幅し、該増幅されたソナー搬送波をアナログからデジタルへの変換器に送り、該アナログからデジタルへの変換器をプログラマブルロジック装置で制御して、該増幅されたソナー搬送波をデジタル信号へ変換するナイキストサンプリングレートよりも上の周波数であることを保証するサンプリングレートで調波サンプリングを実行し、増幅されたソナー搬送波をデジタル中間周波数に変換して、該ソナー搬送波の中間周波数を生じさせ、該ソナー搬送波をデジタル的にフィルターし、該ソナー搬送波をデジタル的に検知することを特徴とするソナー搬送波の検知方法。
ソナートランスデューサから選択周波数とパルスレートで音響ソナー波を送信し、該送信された音響ソナー波が測定物体から反射されたエコーであるソナー搬送波を受信し、該ソナー搬送波を深い水中で高性能を与えるために狭い帯域を選び、浅い水中のために広い帯域を選ぶプログラマブルロジック装置により制御した調整可能な帯域フィルターで限定し、可変ゲイン制御信号を供給し、前記ソナートランスデューサから前記エコー反射源までの距離につり合っているゲインを増加させることにより、前記フィルターされたソナー搬送波信号の範囲内で反射されたエコーの増幅を標準化するためのプログラマブルロジック装置で制御した増幅器のゲインがプログラマブルロジック装置から受信された最小ゲインのレベルで始まり、時間の経過につれてゲインを増加させ、浅いエコーと深いエコーからの信号間の大きさの著しい違いを少なくするための形を有するゲインカーブによりセットされている可変ゲイン増幅器で該フィルターされたソナー搬送波を増幅し、該増幅されたソナー搬送波をアナログからデジタルへの変換器に入力し、該アナログからデジタルへの変換器により該プログラマブルロジック装置から提供されたナイキストサンプリングレートよりも上の周波数であることを保証する調波サブサンプリングレートｃｏｓφで変換して、増幅されたソナー搬送波をデジタル中間周波数に変換して、該ソナー搬送波の中間周波数を生じさせ、該増幅器と該アナログからデジタルへの変換器を該プログラマブルロジック装置で制御し、該デジタル化されたソナー搬送波をｌｏｇ_２（）関数により圧縮し、該プログラマブルロジック装置からの出力をマイクロプロセッサーとディスプレイに供給することを特徴とするソナー搬送波の検知方法。
ソナートランスデューサのピングが２秒毎に１回から１秒当たり２６回まで送られ、帯域フィルターがプログラマブルロジック装置の中にある請求項１又は２に記載のソナー搬送波の検知方法。
ソナー搬送波の検知方法が、リクリエーション用の魚群探知機用ソナー搬送波の検知方法である請求項１〜３のいずれかに記載のソナー搬送波の検知方法。