JP5072400B2 - 水中探知装置 - Google Patents

Description

本発明は、前方探知ソナーのような水中探知装置に関し、特にスプリットビーム方式の振動子アレイを用いた水中探知装置に関する。

前方探知ソナーは、船舶の前方に浅瀬、防波堤、流木などの障害物がある場合に、衝突事故や航行の支障が発生するのを未然に防止するため、障害物の方位と距離を測定して映像表示する水中探知装置である。このような前方探知ソナーは、船舶の底部に装備され、海面と平行な水平方向から９０°下方までの扇形の領域を探知範囲として超音波の送受信を行い、この範囲内にあるターゲットを探知する。例えば、船舶の前方に防波堤があると、海底エコーのほかに、防波堤で反射した信号強度の大きいエコーが現われる。

前方探知ソナーにはいくつかの方式があるが、スプリットビーム方式の前方探知ソナーは、２分割された振動子アレイを備えている。そして、一方のアレイで形成される受信ビームによって受信したエコーと、他方のアレイで形成される受信ビームによって受信したエコーとの位相差を検出し、この位相差とアレイ間の距離とに基づいて、エコーの到来方向すなわちターゲットの方位を検出する。下記の特許文献１には、スプリットビーム方式の前方探知ソナーが記載されている。

特開２００６−５２９８７号公報

前方探知ソナーでは、水中の泡の存在が問題となる。この泡は、主として、船舶の前方を航行している他の船舶やモーターボートのプロペラ回転によって発生する。このような泡は、前方探知ソナーから送信された超音波を反射するため、特に、水深の浅い場所で泡が多量に発生すると、泡群で反射したエコーの信号強度が大きくなって、表示画面上の映像では図１１に示すように、海底のエコーと泡群のエコーとが同じ色（例えば茶色）でつながってしまい、ユーザが泡群のエコーを恰も防波堤のエコーであるかのごとく誤認する結果を招く。

本発明は、上記課題を解決するものであり、その目的とするところは、水中の泡によるエコーを識別して表示画面上で誤認が生じないようにした水中探知装置を提供することにある。

本発明に係る水中探知装置は、スプリットビーム方式を用いた装置であり、水中の所定領域に超音波を送信してターゲットで反射したエコーを受信する振動子アレイを備える。この振動子アレイは、第１のアレイと第２のアレイとに分割され、第１のアレイで形成される第１の受信ビームおよび第２のアレイで形成される第２の受信ビームを上記所定領域内の複数の方位に形成してエコーを受信する。そして、第１および第２のアレイで受信されたエコーの位相差と各アレイ間の距離とに基づいてエコーの到来方向を検出するとともに、当該エコーの映像を画面に表示する。本発明では、このような水中探知装置において、１回の送受信動作の間に、ある方位に向けて形成された第１および第２の受信ビームにより検出された同一のターゲットからのエコーの位相差と、上記方位から所定角度回転した方位に向けて形成された第１および第２の受信ビームにより検出された同一のターゲットからのエコーの位相差との差分を検出する検出手段と、この検出手段によって検出された差分に基づいて、当該エコーが泡によるエコーであるか否かを判定する判定手段とを設ける。判定手段は、差分が所定範囲内の値であるか否かを判定し、差分が所定範囲内の値である場合は、当該エコーが泡によるエコーではないと判定し、差分が所定範囲内の値でない場合は、当該エコーが泡によるエコーであると判定する。そして、判定手段により当該エコーが泡によるエコーではないと判定された場合のみ、当該エコーを信号強度に応じた色で表示する。

本発明では、ある方位に向けて形成された第１および第２の受信ビームにより検出されたエコーの位相差と、その方位から所定角度だけ回転した方位に向けて形成された第１および第２の受信ビームにより検出されたエコーの位相差との差分が、単一の固定物標からのエコーの場合は振動子間隔等により定まる所定範囲に収まり、泡群からのエコーの場合は位相の乱れ等の種々の要因により上記所定範囲から逸脱することを利用して、固定物標からのエコーと泡群からのエコーとの判別を行う。すなわち、上記位相差の差分に対して閾値を設定し、差分が所定範囲にある場合にのみエコーを信号強度に応じた色で表示する。このようにすることで、泡によるエコーはたとえ信号強度が大きくても、本来の信号強度に応じた色では表示されなくなるので、泡によるエコーを防波堤などのエコーと誤認するおそれがなくなり、エコーを正確に識別することができる。

本発明において、判定手段によりエコーが泡によるエコーであると判定された場合は、当該エコーの表示を禁止するようにしてもよい。これによると、表示画面上に泡のエコーが全く表示されなくなるので、泡によるエコーを他のエコーと誤認するおそれが全くなくなり、エコーをより正確に識別することができる。

また、本発明において、判定手段によりエコーが泡によるエコーであると判定された場合は、当該エコーを特定の色調で表示するようにしてもよい。これによると、泡のエコーを例えば薄い水色で表示することにより、そのエコーが泡のエコーであることが容易に分かるとともに、目立たない色で表示されるので、泡のエコーを他のエコーと誤認するおそれもない。

本発明によれば、泡のエコーが本来の信号強度に応じた色で表示されなくなるので、泡によるエコーを浅瀬や防波堤などのエコーと誤認するおそれがなくなり、エコーを正確に識別することが可能となる。

図１は、本発明に係る水中探知装置の実施形態を示すブロック図である。以下では、水中探知装置として前方探知ソナー１００を例に挙げる。図１において、１は、水中の所定領域に超音波を送信してターゲットで反射したエコーを受信する送受波器、２は送受波器１に与える送信信号を生成する送信部、３は送受波器１で受波され電気信号に変換されたエコーを受信するとともに、後述する受信ビームを形成する受信部である。４は受信部３で受信されたエコーの情報に基づいて所定の演算を行う演算部、５は演算部４での演算結果に基づいてエコーの映像を表示するための処理を行う映像処理部、６は映像処理部５から出力される映像信号に基づいてエコーの映像を表示するＬＣＤ（Liquid Crystal Display）などの表示部である。

７は受信部３で受信されたエコーの位相差および位相差の差分を検出する位相検出部であって、位相差θの情報は演算部４に与えられ、位相差の差分Δθの情報は信頼性判定部８へ与えられる。信頼性判定部８は、受信したエコーが信頼できるものか否か、すなわち泡によるエコーでないかどうかを、位相差の差分Δθの値に基づいて判定し、その判定結果を映像処理部５に与える。位相検出部７は本発明における検出手段の一実施形態を構成し、信頼性判定部８は本発明における判定手段の一実施形態を構成している。

送受波器１は、図２に示すように船舶１３の船底に装備され、複数（ここでは８個）の超音波振動子ｚが列状に並べて配置された振動子アレイ１０を備えている。振動子アレイ１０は、アレイ１１（第１のアレイ）とアレイ１２（第２のアレイ）とに分割されており、各アレイ１１，１２はそれぞれ４個の超音波振動子ｚを有している。なお、各アレイ１１，１２にまたがる共通の超音波振動子を設けてもよい。２０は振動子アレイ１０から送信された超音波ビームであって、海面と平行な水平方向から９０°下方までの領域を探知領域とするため、扇形のビームとなっている。

超音波ビーム２０を送信した後、アレイ１１、１２にそれぞれ図３に示すような受信ビーム３１、３２が形成され、これらの受信ビーム３１、３２により、水中のターゲットで反射して帰来するエコーを受信する。受信ビーム３１、３２は、図４に示すように、探知領域において９０°の範囲にわたって形成されて、上述した探知領域のエコーを受信する。各受信ビーム３１、３２は、例えば１°ずつの角度ごとに形成される。したがって、探知領域において、それぞれ９０個の受信ビーム３１、３２が離散的に形成される。

アレイ１１、１２で受信されたエコーの位相差を位相検出部７（図１）で検出することにより、演算部４において、公知のスプリットビーム法を用いてターゲットの方位を求めることができる。図５はスプリットビーム法の原理を説明する図である。図５において、ＴＧは水中のターゲット、３３はターゲットＴＧで反射したエコーの波面、ｄはアレイ１１、１２の間隔（中心間距離）、θはエコーの位相差、αはターゲットＴＧの方位角（エコーの到来方向）を表している。これより、方位角αは、
α＝ｓｉｎ^−１（θ・λ／２πｄ） …（１）
となる。ここで、λはエコーの波長である。

また、超音波ビームを送信してからエコーを受信するまでの時間を測定することで、ターゲットＴＧまでの距離を計算することができ、ターゲットＴＧの方位角と距離が求まれば、ターゲットＴＧの位置が分かる。さらに、エコーの信号強度は、振動子アレイ１０の各超音波振動子ｚが受信したエコーの振幅に基づいて算出することができる。これらの演算は演算部４において行われる。こうして、ターゲットＴＧの方位角αと距離、およびエコーの信号強度が算出されると、映像処理部５において、ターゲットＴＧのエコーを画面上にプロットするための処理が行われ、表示部６の画面にエコーの映像が表示される。

以上の動作に関しては、従来のスプリットビーム方式の前方探知ソナーの動作と変わるところはない。

次に、本発明の特徴であるエコーの信頼性判定について説明する。図６は、本発明の原理を説明する図である。図６では、図５と同一部分に同一符号を付してある。

今、方位角αの方位に向けて形成された受信ビーム３１、３２（実線）によりアレイ１１、１２で検出されたエコーの位相差をθ１とし、方位角α＋１°の方位に向けて形成された受信ビーム３１、３２（破線）によりアレイ１１、１２で検出されたエコーの位相差をθ２とする。位相検出部７では、検出された各位相差θ１、θ２から位相差の差分Δθ＝θ１−θ２を検出する。前記の式（１） より、
θ＝｛２πｄ・ｓｉｎα｝／λ …（２）
であるから、θ１、θ２は、それぞれ
θ１＝｛２πｄ・ｓｉｎα｝／λ
θ２＝｛２πｄ・ｓｉｎ（α＋１）｝／λ
となる。これより、位相差の差分Δθは、
Δθ＝θ１−θ２＝２πｄ・｛ｓｉｎα−ｓｉｎ（α＋１）｝／λ …（３）
として検出することができる。

ここで、（３）式のθ１−θ２の演算にあたっては、方位αのビーム３１で検出された位相をφ_{３１（α）} 、方位α＋１°のビーム３１で検出された位相をφ_{３１（α＋１）}、方位αのビーム３２で検出された位相をφ_{３２（α）}、方位α＋１°のビーム３２で検出された位相をφ_{３２（α＋１）}としたとき、
θ１−θ２＝｜｜φ_{３１（α）}−φ_{３２（α）}｜−｜φ_{３１（α＋１）}−φ_{３２（α＋１）}｜｜
で演算してもよいし、
θ１−θ２＝｜｜φ_{３１（α）}−φ_{３１（α＋１）}｜−｜φ_{３２（α）}−φ_{３２（α＋１）}｜｜
で演算してもよい。演算順序を入れ替えても同じ結果が得られるからである。したがって、本発明における位相差の差分の検出方法には、いずれの演算による場合も含む。

なお、図６では、２つの受信ビーム３１、３２が平行となっているが、これらの受信ビームは必ずしも平行である必要はない。また、図６では、ターゲットＴＧが受信ビーム３１、３２の指向範囲（方位方向のビームの拡がり）から外れているように描かれているが、これは図を分かりやすくするためであり、実際には、ターゲットＴＧは受信ビーム３１、３２の指向範囲内に存在している。

上記の式（３）に基づき、方位角αと位相差の差分Δθとの関係をグラフに表すと、図７のようになる。

図７に示すように、位相差の差分Δθに対して閾値β１、β２を設定し、差分Δθがこの閾値β１、β２間の信頼領域Ｒにあるかどうかを信頼性判定部８で判定する。差分Δθが信頼領域Ｒ内の値である場合は、受信したエコーが浅瀬や防波堤などの本来検出すべきターゲットであることを示し、差分Δθが信頼領域Ｒ内の値でない場合は、受信したエコーが泡によるものであって、本来検出すべきターゲットではないことを示している。

なお、位相差θは２π（３６０°）の周期で巡回するため、方位角αがある値を超えると、ある位相差θに対して方位角αが一義的に定まらなくなる。本実施形態において、図６のアレイ間隔ｄがｄ＝１．５４λに設定されているとした場合、式（２）より、αの値が１８．９°を超えると、位相差θが巡回することになるので、αは−１８．９°≦α≦１８．９°となるようにする必要がある。図７において、αが±１８．９°変化する場合、位相差の差分Δθは、式（３）より計算して、−９．６８°から−９．１３°まで変化する。そこで、−９．６８°を閾値β１とし、−９．１３°を閾値β２とする。

信頼性判定部８は、前記のような判定を行って、その結果を映像処理部５に出力する。信頼性判定部８で差分Δθが信頼領域Ｒにあると判定された場合は、映像処理部５で、エコーを信号強度に応じた色で表示するための処理が行われ、表示部６の画面にエコーの映像が本来の色で表示される。これに対して、信頼性判定部８で差分Δθが信頼領域Ｒにないと判定された場合は、映像処理部５で、当該エコーを特定の色調で表示するための処理、またはエコーの表示を禁止するための処理が行われる。

図８および図９は、泡群１５によるエコーを目立たない色（例えば薄い水色）で表示した場合の表示部６の画面例である。この場合は、エコーの信号強度が大きくても、本来の信号強度に応じた色（例えば茶色）で表示されなくなるので、泡によるエコーを浅瀬や防波堤などのエコーと誤認するおそれがなくなり、エコーを正確に識別することができる。

図１０は、泡群１５によるエコーを表示しないようにした場合の表示部６の画面例である。この場合は、破線で囲んだ部分に図９のような泡群１５のエコーが全く表示されなくなるので、泡によるエコーを他のエコーと誤認するおそれが全くなくなり、エコーをより正確に識別することができる。

以上のように、上述した実施形態においては、エコーの位相差の差分Δθが信頼領域Ｒ内の値である場合にのみ、エコーをその信号強度に応じた色で表示するようにしたので、図１２に示すように、同時刻に海底１４と泡群１５とからエコーが帰来した場合、泡群１５によるエコーは、たとえ信号強度が大きくても本来の信号強度に応じた色では表示されなくなる。このため、泡によるエコーを防波堤などのエコーと誤認するおそれがなくなり、エコーを正確に識別することができる。

本発明は、上述した実施形態に限定されるものではなく、他にも種々の実施形態を採用することができる。例えば、図７で示した数値は一例に過ぎず、これ以外の数値を採用してもよい。また、前記実施形態では、水中探知装置として前方探知ソナーを例に挙げたが、本発明はスプリットビーム方式を採用した水中探知装置全般に適用することができ、例えば魚群探知機などにも適用が可能である。

本発明に係る水中探知装置の実施形態を示すブロック図である。 振動子アレイと送信ビームを示す図である。 振動子アレイと受信ビームを示す図である。 受信ビームが形成される態様を説明する図である。 スプリットビーム法の原理を説明する図である。 本発明の原理を説明する図である。 方位角と位相差の差分との関係を表したグラフである。 泡のエコーを表示した場合の画面例である。 泡のエコーを表示した場合の画面例である。 泡のエコーを表示しない場合の画面例である。 従来の水中探知装置におけるエコー映像の例である。 同時刻に海底と泡群から帰来するエコーを説明する図である。

符号の説明

１ 送受波器
２ 送信部
３ 受信部
４ 演算部
５ 映像処理部
６ 表示部
７ 位相検出部
８ 信頼性判定部
１０ 振動子アレイ
１１ アレイ（第１のアレイ）
１２ アレイ（第２のアレイ）
１４ 海底
１５ 泡群
３１，３２ 受信ビーム
１００ 前方探知ソナー（水中探知装置）
Ｒ 信頼領域
ＴＧ ターゲット

Claims (3)

1. 水中の所定領域に超音波を送信してターゲットで反射したエコーを受信する振動子アレイを備え、
   前記振動子アレイは、第１のアレイと第２のアレイとに分割され、第１のアレイで形成される第１の受信ビームおよび第２のアレイで形成される第２の受信ビームを前記所定領域内の複数の方位に形成して前記エコーを受信し、
   前記第１および第２のアレイで受信されたエコーの位相差と各アレイ間の距離とに基づいてエコーの到来方向を検出するとともに、当該エコーの映像を画面に表示する水中探知装置において、
   １回の送受信動作の間に、ある方位に向けて形成された前記第１および第２の受信ビームにより検出された同一のターゲットからのエコーの位相差と、前記方位から所定角度回転した方位に向けて形成された前記第１および第２の受信ビームにより検出された同一のターゲットからのエコーの位相差との差分を検出する検出手段と、
   前記検出手段によって検出された差分に基づいて、当該エコーが泡によるエコーであるか否かを判定する判定手段とを備え、
   前記判定手段は、前記差分が所定範囲内の値であるか否かを判定し、前記差分が所定範囲内の値である場合は、当該エコーが泡によるエコーではないと判定し、前記差分が所定範囲内の値でない場合は、当該エコーが泡によるエコーであると判定し、
   前記判定手段により当該エコーが泡によるエコーではないと判定された場合のみ、当該エコーを信号強度に応じた色で表示することを特徴とする水中探知装置。
2. 請求項１に記載の水中探知装置において、
   前記判定手段により当該エコーが泡によるエコーであると判定された場合は、当該エコーの表示を禁止することを特徴とする水中探知装置。
3. 請求項１に記載の水中探知装置において、
   前記判定手段により当該エコーが泡によるエコーであると判定された場合は、当該エコーを特定の色調で表示することを特徴とする水中探知装置。

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