JP5470146B2

JP5470146B2 - 水中音波撮像装置

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Publication number: JP5470146B2
Application number: JP2010095620A
Authority: JP
Inventors: 貞一郎池田; 邦夫橋場; 光彦南利
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 2010-04-19
Filing date: 2010-04-19
Publication date: 2014-04-16
Anticipated expiration: 2030-04-19
Also published as: JP2011226873A

Description

本発明は、水中の情報を可視化する水中音波撮像装置（ソーナー）の信号処理手段及び装置に関する。

海底の構造や、海底面や海底堆積層内の対象物を画像化するための手法として、音響的手法による画像化技術（ソーナー）が検討されている。特に掃海艇などに搭載される防衛装備品のなかでも、海底や水中に敷設された機雷を探知する機雷探知機においてソーナーは重要な基幹技術となっている。

ここで、ソーナー信号もしくはソーナー画像上にある機雷を自動的に検出（探知）し、その種類を類別する技術として自動検出技術（CAD: Computer Aided Detection)、自動類別技術(CAC: Computer Aided Classification)が幅広く検討されている。例えば非特許文献１においては、合成開口ソーナーによって得られた信号および画像から機雷シャドウを利用して画像中の機雷に相当する領域を探知する技術（CAD技術）について記述されている。また、非特許文献２においては、探知された機雷領域にパターンマッチングを行うことで機雷の種類を類別(CAC技術)する技術について記述されている。

上記のような自動探知／類別(CAD/CAC)技術の一つとして、機雷は海底面にあるか、海底堆積層に埋没しているかどうかを判別することは重要な関心事である。発見された機雷が海底面に有る沈底機雷の場合、その回収および撤去の作業は比較的容易であるが、海底堆積層に埋まった埋没機雷の場合には回収計画や回収機器が沈底機雷の場合と比べ大がかりになるのみならず、回収機器および回収者であるダイバーの人命に対する危険が増大する。

このような背景から、ソーナーによって探知した機雷が沈底機雷か埋没機雷であるかを判別する技術が望まれている。これまで埋没物の探知／類別(CAD/CAC)技術に関して、以下のものがある。特許文献１および特許文献２においては、埋没物の判定や発見ができる技術が開示されている。また特許文献３、特許文献４および特許文献５においては埋没しているか否かの判定や表示ができる技術が開示されている。

特開2007-298289 特開2004-184268 特開2002-311136 特開2000-249760 特開平10-153657 特開2004-125541

P. Courmontagne,"A New Approach for Mine Detection in SAS Imagery,"Proc. of OCEANS 2008 - MTS/IEEE Kobe Techno-Ocean, pp.1-8(2008). J.M. Bell et al., "Target Recognition in Synthetic Aperture and High Resolution Sidescan Sonar,"Proc. of IET Seminar on High Resolution Imaging and Target Classification, pp. 99-106 (2006).

海底堆積層には臨界俯角が存在する。図１は臨界俯角の存在によって生じる機雷探知ソーナーの課題を説明するもので、(ａ)は典型的なサイドルッキングソーナーの送信音波の範囲（左右の送信音波範囲のうち片側のみを図示）とソーナー画像の例を示す。ソーナー１０から海底面１１方向に対して音波を照射したとき、臨界俯角１２以下の角度で海底に達した音波は海底堆積層内部には音波はほとんど伝搬せず、海底面上で反射してしまう。そのため、ソーナーの送信音波の角度幅が臨界俯角以下の音波投影面ＣＢからの受信信号中には海底堆積層内部からの反射信号は含まれない。その結果としてソーナー画像１３中に沈底機雷１４は検出されても埋没機雷１５が検出されない箇所が存在する。(ｂ)はソーナーの移動走航により得る掃海領域を示す俯瞰図であり、(ｃ)は走航を繰り返して掃海領域を増やしていく様子を示す平面図である。埋没機雷が検出されない領域を無視して走航を進めると、ソーナーによる掃海を行ったはずの領域１６（音波投影面ＡＢ）に埋没機雷の検出取りこぼし領域１７が残るという課題がある。

図２は海底の底質に対する臨界俯角のグラフである。一般的に粒径が小さいクレイでは臨界俯角は存在しない。粒径が大きくなってゆくとある底質２１において臨界俯角が出現し、さらに粒径が大きくなるにつれ臨界俯角の大きさは大きくなってゆく。また、周波数が低い場合の臨界俯角２２と比べて、周波数が高い場合の臨界俯角２３の方が大きくなるという性質がある。このように臨界俯角はソーナー周波数および海底堆積層の底質（おもに粒径によって支配される。砂・クレイ・泥など）によって変化する。しかしながら、一般的に海底堆積層の底質は場所によって異なり既知ではない。そのためある底質条件およびソーナー周波数で最適化されたソーナー送信条件が他の堆積層に対して適用できるとは限らない。

さらに、海底堆積層内で音波の減衰率は海水中と比べて格段に大きい。そのため埋没機雷から反射してくる音波の大きさは、沈底機雷からの反射と比べて1オーダー以上小さくなることが一般的であるため、検出能力の高感度化も課題である。

従来技術においては、音響信号もしくは画像を利用して埋没物体と沈底機雷を判定する技術が知られている。しかしながら、臨界俯角以下の音波送波角度において画像中に埋没物体が描出される場合と描出されない場合が有ることを考慮した技術は知られていない。

以上より本発明においては、底質が既知でない条件下において、臨界俯角による埋没物体の検出取りこぼしを回避し、高感度な沈底機雷と埋没機雷の判別技術を提供することを目的とする。

少なくとも一つのソーナーを備えた移動体が動いている状態、もしくは音波送波方向を回転している状態において、ソーナー画像上に描出された機雷が、移動体の移動に伴って画像内で消える場合は埋没機雷、消えない場合は沈底機雷であると判別する。

より詳細には、本発明は、後方照射型もしくは前方照射型など、ソーナーを搭載する移動体が移動するにつれて、水底面の対象物体位置から見た音波の入射角度が変化するソーナー方式を前提とする。この種のソーナーでは、移動体の移動に伴って送信投影領域が移動していき、水底のある位置の対象物の像は画像視野を、移動体の移動方向と逆向きに通りすぎる。本明細書に開示された発明の代表的実施例の水中音波撮像装置では、ソーナー画面上の物体像としてマークした指示窓内のピーク輝度もしくはそれに対応する物体からの受信信号を複数ソーナー画像にわたって追跡し、追跡したピーク輝度の値もしくは受信信号強度が一定の閾値を横切って低下、もしくは上昇したら、対象物体は水底堆積層に埋没しており、一方、追跡したピーク輝度の値もしくは受信信号強度が前記閾値を横切ることがないまま物体像がソーナー画像の視野の端から抜け去ったら対象物体は水底面に沈底していると判定する判定部を有する。つまり、移動体の移動で対象物体が画面視野内を通過する際中に対象物体を見込む俯角が臨界俯角を超えて変化する際の、埋没物体に特有のエコー強度変化が生じるか否かで埋没機雷か沈底機雷かを判別する。

上記の追跡により閾値を横切る強度変化が検出されれば、その検出時点での対象物への音波ビームの俯角は臨界俯角を表す。よって強度変化が検出された画像での対象物の位置(推定点）を音波ビーム俯角に換算することで現臨界俯角の大きさが推定できる。さらに臨界俯角は底質（水底堆積物の粒径）に依存するので、推定した臨界俯角から対象物対付近の底質を推定できる。

本発明によれば、どのような堆積層の底質においても取りこぼしなく埋没物体を検出し、かつ沈底機雷と埋没機雷の自動判別を行うことができる。また、埋没物体近辺の音波の屈折量が急激に変化する臨界俯角近傍の情報を用いることで検出能力の高感度化ができる。

(ａ)はサイドスキャン型ソーナーの送信音波範囲及びソーナー画像の例を示す図、(ｂ)は臨界俯角により生じる掃海取りこぼし領域説明する俯瞰図、(ｃ)は平面図である。底質（粒径）およびソーナー周波数に対する臨界俯角の関係を示す特性図である。本発明の基本アルゴリズムを説明する図である。本発明の実施例である水中音波撮像装置の基本ブロック図である。実施例の画像表示部と指示部を説明する図である。 (ａ)は上記実施例の判定部のアルゴリズムを示す各時刻毎のソーナー画像の図、(ｂ)はソーナー画像中の物体像の輝度の時間推移を示す特性図、(ｃ)は埋没機雷の像の輝度の微分値を示す特性図である。 (ａ)は別の実施例の判定部のアルゴリズムを示す時刻毎のソーナー画像の図、(ｂ)は埋没機雷の像のアスペクト比の時間推移を示す特性図である。臨界俯角近傍の堆積層内部の音波の様子を示す図である。 (ａ)は更に別の実施例の水中音波撮像装置の音波照射を真上から見た図、(ｂ)は真横から見た図である。更に別の実施例の水中音波撮像装置の音波照射とフットプリント、およびフットプリントに対応するソーナー画像を示す図。更に別の実施例の水中音波撮像装置の音波照射とフットプリント、およびフットプリントに対応するソーナー画像を示す図である。更に別の実施例の水中音波撮像装置の音波照射とフットプリント、およびフットプリントに対応するソーナー画像を示す図である。 (ａ)は更に別の実施例の水中音波撮像装置の音波照射を真上から見た図、(ｂ)は前方から見た図である。更に別の実施例の水中音波撮像装置の音波照射とフットプリント、およびフットプリントに対応するソーナー画像間の処理を示す図である。 (ａ)は更に別の実施例の照射方向距離対受信強度を示す特性図、(ｂ)はソーナー画面およびコントロールコンソールを示す図である。

図３は本発明における沈底機雷と埋没物体の判別方法の基本原理と、最も基本的な実施例およびその効果を説明するための図であり、後方照射型のソーナーを例にとって時刻がＴ１、Ｔ２、Ｔ３と推移するごとの音波ビームの投影の様子と、それぞれのソーナー画像とを示した図である。

図３において、海底面１１の上には沈底物体１４が存在し、また海底堆積層には埋没物体１５が存在している。前述ではそれぞれ沈底機雷、埋没機雷として説明を行ったが、本発明の実施形態のプラットフォームは機雷探知ソーナーに限らず一般的な海底探査ソーナーを含む。よって以下図番号１４および１５は沈底物体・埋没物体と表記することもある。

ソーナーからの音波ビーム３１は音波照射方向の指向角３２で海底面に向かって照射される。ソーナーを具備する移動体１０（以下ソーナー１０とする）は海中を移動方向３０に沿って移動する。時刻がＴ１、Ｔ２，Ｔ３と進むごとに、ソーナー１０の移動に伴って送波する音波の海底面での投影面（フットプリント）１６も少しずつ移動する。音波の往復時間の差により水底面の各位置からの反射音波をマッピングする技術、及び、横方向のビーム方向を逐次変更して送受信を繰り返す技術により、２次元の分解能を持ったフットプリントに対応するソーナー画像が図３の１３−１、１３−２、１３−３のようにそれぞれ得られる。移動の各時点では指向角３２の範囲で音波が照射され、ソーナーから見た俯角が臨界俯角１２より大きい各位置では音波は海底面から堆積層に進入する。ところが、俯角が臨界俯角１２以下となる遠方の各位置では、音波は海底面で反射もしくは散逸し、海底の堆積層にはほとんど進入しない。したがって照射指向角３２の全範囲に対応するソーナー画像中には堆積層内が描出される画像領域３３と描出されない領域３４が存在する。時刻Ｔ１、Ｔ２、Ｔ３でのソーナー画像１３−１、１３−２、１３−３のそれぞれの埋没物体１４と沈底物体１５の像を詳しく見る。ソーナー画像１３−１(時刻Ｔ１)の場合は双方の物体ともに、音波ビーム３１の中で臨界俯角１２より大きい領域に存在する。そのため埋没物体１４と沈底物体１５が双方とも画像領域３３中に描出される。ソーナー画像１３−２（時刻Ｔ２）では埋没物体が臨界角以下の音波ビーム方向に対応する画像領域３４中に移動する。そのため埋没物体１５は画像から消滅する。さらにソーナー画像１３−３（時刻Ｔ３）では沈底物体１４も画像領域３４中に移動する。しかし、沈底物体１４は海底面１１上にあるため臨界俯角の影響を受けないことにより、ソーナー画像１３−３でも描出されつづける。

本発明では、このように移動に伴って逐次更新されるソーナー画像間で物体像の存在非存在が変わるか否かで、その物体が堆積層に埋没しているか否かを判定する。上述の原理的説明の範囲では、物体像が画像の端以外の場所で消滅した場合に、その物体が海底堆積層に埋没していると判別し、物体が画像の端まで描出され続けた場合にその物体を沈底物体と判別する。

また、ここまでは進行方向３０と反対方向に音波を照射する後方照射型のソーナーを例に説明したが、ソーナーの移動方向を図３の矢印３５のように逆方向とする場合、つまり前方照射型のソーナーの場合でも同じ原理で埋没物体を判定できる。この場合、画像が得られる時系列は画像１３−３、画像１３−２、画像１３−１の順番になり、埋没物体の像は何もないところ（画像領域３３と３４の境目３６）から急に出現することになる。一方で沈底物体は後方照射のケースと同様にソーナー画像中に描出されつづける。よって、この場合画像の端部でない場所から急に出現した物体を埋没物体と判定し、それ以外の物体を沈底物体と判別する。この場合も本発明の範疇となる。

なお、前述の埋没物体の消滅や出現は突然には起こらない場合もある。すなわち、消滅・出現に至る過程における変化が徐々に起こる場合である。それでもなお、埋没物体の像が境目３６にさしかかり、遠方に遠ざかるにつれて消滅してゆく輝度の変化、もしくはエコー信号強度の変化は、沈底物体の輝度もしくは受信信号の変化（物体が送信投影領域にいる限りあまり変化しない）と十分に識別可能である。前方照射型ソーナーの場合の、埋没物体の像が境目３６近傍に現れる際の複数ソーナー画像間の輝度変化も、全く同様に沈底物体の像の輝度変化と識別可能である。すなわち物体からの受信信号強度、もしくは画像中の物体の輝度の大きさに対して一定の閾値を設け、閾値を横切って信号強度もしくは輝度が変化したか否かを分別することができる。また、後述の実施例でこの課題の解決について更に詳細に説明される。

図４は本発明の最適な実施例の一つであり、実施例の水中音波撮像装置（ソーナー）内部のブロック構成を説明するものである。

ソーナー１０には外部に音波を送信する送信部４０と、海底面や物体からの反射波を受信する受信部４１と、受信された信号から逐次音波画像を生成する信号処理部４２と、信号処理部の処理結果に基づく音波撮影画像（ソーナー画像）を逐次表示する画像表示部４３と、受信信号中にある対象物の信号を検出する検出部４４とを具備する。以上の構成は例えば機雷のCAD/CAC(自動検出・類別)機能を備えたソーナーとして一般的な構成であり、本発明の各実施例の基盤となる構成である。

送信部４０・受信部４１としてはPZT（ジルコン酸チタン酸鉛）などの圧電体に整合層およびバッキング材を積層した超音波トランスデューサーを送波器・受波器もしくはそれぞれが一体となった送受波器として具備する形態が一般的である。

また信号処理部４２では、受信部で受信した音波信号を検波・整相し音波の包絡線信号をスキャンコンバータ等により並列することで音波画像を形成する、という形態が一般的に用いられている。また信号処理部４２には必要に応じてフーリエ変換などの時間周波数変換の処理ユニットが含まれることもある。また、音波画像の生成アルゴリズムとして合成開口(Synthetic Aperture）方式などを用いてもかまわない。すなわち信号処理部４２は、最終的に信号処理された受信信号を時系列で切り出し、輝度で表された音波画像を生成するという目的を達していればいかなる処理を内部で行っていてもよい。

信号処理部４２で生成される音波画像としては２次元画像でも３次元画像でもかまわない。簡単のため明細書中の実施例では２次元音波画像での説明を行うが、３次元画像に対しても本発明は適用することができる。これは、送波器・受波器を２次元アレイにすることなどで、３次元画像の生成が可能であり、また、３次元画像の１断面が２次元画像であることからも明らかである。さらに、画像表示部４３は信号処理部で輝度に変換された２次元画像を例えばCRTや液晶ディスプレイに表示する手段をもつブロックである。

また、検出部４４では画像中で目的の物体を検知する手段を具備するブロックである。検出部で検出に用いる信号は、生信号でも、バンドパスフィルタ通過後の信号強度など信号処理部内部での中途の信号でも、最終的な音波画像の輝度信号であってもかまわない。また、検出部アルゴリズムとしては単なる画像輝度や信号強度の大きさを利用した閾値処理や尤度比による統計処理による複数画像間の反復処理であっても、画像中の位相誤差分散を利用するものであってもよい。また、対象物の形状などを類別する機能を持っていても良い。すなわち、検出部４４における検出処理手段は、音波信号中の対象物体（たとえば機雷）の信号を検出する能力を最低限備えていればいかなる処理手段であっても良い。

本実施例の水中音波撮像装置（ソーナー）では前述の送信部４０・受信部４１・信号処理部４２・画像表示部４３・検出部４４の基盤構成のもと、検出部４４で検出された対象物が水底面に存在するか水底堆積層内に存在するかを判定する判定部４５を具備することを基本的な特徴とする。これにより、例えば音波画像中に検出された機雷が埋没機雷であるか沈底機雷であるかの判定が可能となる。

また、図４の検出部４４で検出された機雷などの対象物を音波画像中に指示する表示と、さらに、判定部４５の判定結果である埋没、非埋没の区別を指示する表示とを、併せて画面に表示させる指示部４６を具備する点も本実施例の特徴の一つである。

さらに、音波画像中に埋没物が消滅もしくは出現した箇所（例えば図３の埋没物体の消滅／出現ライン３６）から、水底の臨界角を予測し、ソーナー送信条件を変化させる送信制御部４７を有する点も本実施例の特徴の一つである。

図５は本実施例における画像表示部４３の表示内容を具体的に示す。画像表示部としてはＣＲＴや液晶・プラズマディスプレイが典型的であるが、ソーナー画像が表示できる機器であればいかなる形態であってもよい。表示部の画面には信号処理部で生成されたソーナー画像１３が表示される。またソーナー画像１３には対象物（例えば沈底物体１４や埋没物体１５）を含めた海底面や水中が描出され、ソーナーの移動に伴って逐次更新される。またその画像には、検出部４４で検出し指示部４６で指示した対象物体の印、および判定部４５の演算結果である埋没物体、沈底物体の区別を表示する。

例えば図５は、検出部によって物体１４と物体１５が「機雷（物体）である」、と検出された検出結果を指示する表示の例を示している。ここでは物体１４と物体１５が共に機雷として検出され、検出結果が四角破線５０でソーナー画像１３中に指示されている。検出結果の指示の形態は、画像の他の部分と機雷の領域が明示的に判別できればいかなる形態を取ってもよく、図５のように機雷であると検出された領域を囲む四角破線５０のような形態のほか、丸で囲む形、機雷領域が点滅する形、機雷領域をバックグラウンド画像と別の色で表す形などのいかなる形態であっても良い。

さらに例えば図５は、判定部によって「物体１５が埋没機雷かつ物体１４が沈底機雷である」、と判定されたときの判定結果を指示する表示の例を示している。ここでは物体１５が埋没機雷と判別された結果が“Ｂ”(Buried：埋没)マークで、また物体１４が沈底機雷と判別された結果が“Ｐ”(Proud：沈底)マークで、それぞれ検出結果の指示窓５０に対してさらに指示されている。判定結果の指示の形態は、それらが埋没か沈底かどうかが明示的に判別できればいかなる形態を取ってもよく、図５の“Ｂ／Ｐ”マークのような文字表記であっても、それぞれ形状の異なる図形（例えば△が沈底で□が埋没など）で指示する形、埋没／沈底機雷の画像領域をそれぞれ異なる色で表す形、などのいかなる形態をとっても良い。

図６は、本実施例の判定部４５における判定方法を説明するものである。図６(ａ)は時間系列に沿った複数のソーナー画像とその注目ラインの輝度プロファイルを示す。ソーナー画像群６０−１，６０−２．６０−３は順番に、時刻がＴ１，Ｔ２，Ｔ３と進むごとのソーナーの移動に伴ったソーナー画像の変化を示している。ソーナー画像中には埋没物体１４および沈底物体１５が描出されている。ここで、これらの物体は既に検出部４４によって機雷であることが検出されており、それを示す検出指示窓５０が画像中に表示されている。

本実施例の判定部４５では、これら時系列の複数ソーナー画像同志の判定対象の物体像の輝度ピークの値の変化により埋没物体か沈底物体かを判断する。例えば、対象物体と検出され、検出指示窓５０が設定された領域の中心を通る照射方向走査ラインを注目ラインとする。図６(ａ)の場合、検出された物体１４に対する注目ラインと物体１５に対する注目ラインはたまたま共通であり、各画像中のライン６１が注目ラインとなる。注目ラインの輝度プロファイルを左から順に追ってゆくと、沈底物体からの信号強度を示すピーク６２の高さはソーナー画像群６０−１，６０−２．６０−３の間で殆ど変化しない。一方で埋没物体からの信号強度を反映するピーク６３は、物体像が臨界俯角に対応する境界３６を通過する前後で急激に低くなる。そこで本実施例の判定部は、対象物体と判定され、検出指示窓が設定された領域の輝度ピーク値を、複数のソーナー画像間で、追跡して記録する。図６(ｂ)はピーク値の追跡の結果を示す。埋没沈底物体１５のエコー信号を反映するピーク６３、沈底物体のエコー信号を反映するピーク６２のそれぞれの追跡結果であるピーク値推移が示される。判定部４５は、ピーク値が一定の閾値６５を横切って低下する変化をした場合に、その物体を埋没機雷である、と判別する。またピーク値が閾値６５を下回ることなくピークがソーナー画像の端から端まで通り過ぎた、場合は、その物体は沈底機雷であると判定する。対象物体からのエコー信号を反映した輝度ピーク値を得るのに、検出指示窓５０の中心を通る注目ラインの輝度プロファイルからピーク値を検出するのではなく、他の手法も採用できる。例えば検出指示窓内の輝度からピークを検出してもよい。またノイズ成分の影響を考慮して検出指示窓内の高輝度部分の輝度平均値をピーク値としてもよい。
なお、前方照射型のソーナーの場合は、埋没物体からのエコー信号を反映したピーク値の時間変化は破線６４で示すようになる。この場合には、ソーナー画像の遠距離側の端からではなく、画像の中よりの位置から閾値を超えるピークが現れたことを検出して埋没機雷と判別するように判別部を構成する。

図６(ｂ)にて、ピーク６３の値が閾値６５と交わる時点（図中の推定点６６）の画像上で、追跡していたピークの位置は、埋没物体の出現／消滅ライン３６の位置となる。つまり、推定点６６から画像中の埋没物体の出現／消滅ライン３６の位置を推定することができる。この推定点６６を図４における判定部４５から送信制御部４７に送りソーナーの送信条件制御に利用することができる。詳細については後述する。

また、沈底／埋没の判定に用いる判定信号としては、ここまではソーナー画像群６０の輝度の大きさを選んで説明を行ったが、判定信号として用いる量は、検出部４４において「対象物である」と検出された信号／画像の領域に対応する信号の大きさであればいかなるものであってもよい。図６(ｂ)を用いて説明すると、図の縦軸６７を輝度の絶対値ではなく物体からの受信信号の絶対値に置き換えても図６(ｂ)と示したものと同様の変化を示す。したがってソーナーで受信された信号の絶対値もしくは、受信信号の微分値もしくは受信信号をフーリエ変換した値を判定信号として用いることが可能であり、それぞれ本発明の範疇である。

図６(ｃ)は図６(ｂ)の物体１５のエコー信号を反映したピーク６３の時間変化を微分したものである。つまり図６(ｃ)の縦軸６８は信号強度の時間に対する微分値を示している。微分値をとることによって埋没物体の消滅／出現箇所ではインパルス形状の判別信号６９となり、単なる信号強度を用いるより高感度な判別能力を得ることができる。またこの場合は微分値が負の閾値６０１以下になった場合に埋没物体であると判別する。前方照射型の場合は信号強度の変化が増方向なので微分値が正の閾値以上になった場合に埋没物体であると判断する。また微分値を用いる場合は、微分値推移の負方向のピーク（前方照射では正方向のピーク）の時点を埋没物の出現／消滅ライン３６を示す推定点６６とする。

また、判別信号としてはフーリエ変換を行った信号を用いることで、より判別能力を高めることができる。堆積層内に透過する音波の周波数は水中内と比べて限られているため、受信信号をフーリエ変換した後、堆積層内に透過した音波の周波数帯域のみをバンドパスフィルタを掛けることで、埋没物体／沈底物体の信号強度比を向上させることができる。前述と同様、フーリエ変換後の強度を図６の縦軸６７に取ることで、前記と同様の判定を行う。また、この場合も、フーリエ変換後の強度の時間に対する微分値６８を取ることによって、さらに高い判別能力を得ることができる。

ここで、閾値６５や６０１の設定はあらかじめ設計値を決めておいてもよいが、逐次更新される受信信号から計算してもよい。例えば図６のソーナー画像中で機雷と判別された領域５０以外の箇所の信号をトレーニングデータ６０２として用いて閾値の値を演算し、その値を閾値６５や閾値６０１として用いる。これによって、ソーナー高度の変化や、海底面の状況や風浪階級による海面残響音の変化に起因して起こるソーナー画像そのもののバックグラウンド信号の大きさの変化に適応的に対応することができ、判定部での安定した埋没／沈底判別を行うことができる。ここで、トレーニングデータ６０２としては、受信信号や信号処理中の対応箇所のデータを用いても良いし、最終的なソーナー画像の輝度などを用いても良い。

図７は埋没／沈底判別に物体像のアスペクト比を用いる別の実施例を説明するものである。図７(ａ)はソーナー画像中の埋没物体の像の形状の変化を示す。埋没物体１５の像のアスペクト比ａ／ｂ（７０）（a:長軸半径、b:短軸半径）を時刻Ｔ１、Ｔ２、Ｔ３と逐次追跡すると、埋没物体の像が消滅/出現ライン３６にさしかかる時、アスペクト比ａ／ｂが大きく変化する。また、特に音波照射方向の物体の長さ７１は画像中で大きく変化する。アスペクト比ａ／ｂを複数のソーナー画像にわたって追跡してゆくと図７(ｂ)のグラフ７２のようになる。そこで、アスペクト比の大きさがある一定の閾値以上になったとき、物体は埋没物体であると判別する。またアスペクト比だけでなく、図の音波照射方向の長さaのみを判定用の信号として用いることでも同様の効果が得られる。

図８を用いて、図７のアスペクト比による判定が可能な理由を説明する。図８にはソーナー１０から海底１１に向かって音波を照射したときの音波の通る道筋（音線）を示している。図８では音線図８０の中で特に臨界俯角近傍８１の音線を拡大している。臨界角近傍の音線８２は堆積層内で極端に曲げられ、より近距離位置で堆積層に進入した音線に比べて長い音波の伝搬距離を取ることがわかる。よって、この臨界俯角近傍での物体からの反射音波も遅く到達するため、結果として図７(ｂ)の時刻Ｔ２の画像で示したように、音波照射方向の物体の長さが見かけ長くなってソーナー画像に描出されることになる。この臨界俯角の近傍は前述のようにソーナー画像中での埋没物体の消滅／出現箇所３６と対応しており、すなわち、アスペクト比ａ／ｂの大きさを追跡することで、物体が埋没物体であるか否かを判定することが可能となる。

以上、本発明の基本原理と基本構造および基本的な判定アルゴリズムの実施例について主に説明を行ったが、以下具体的なソーナーの形態における実施例を中心に説明を行う。

線《97学術・物理》図《JIS Z 8114: 1999 製図》36・造船用語》力用語》方向》》対する図》図９は本発明の別の実施例であり、可動部を有するソーナーについて説明するものである。図９(ａ)、(ｂ)はそれぞれ音波照射時のソーナーを真上、真横から見た図である。ソーナーの移動方向９２は前方もしくは後方である。ここでソーナー１０には音波の送信方向を回転させる可動部９０を有しており、音波の照射方向をある回転角度９１内で任意に変化させることができる。送信方向をある方向に固定したときの音波照射の領域（フットプリント）９３は限られているが、回転によって拡大したフットプリント９４で海底面に音波を照射することができる。このとき、埋没物体が画像中に描出される領域３３および、埋没物体が描出されない領域３４も同様に広範囲になり、物体の移動９２に伴った埋没物体の消滅出現ライン３６の移動を用いて、埋没／沈底の判定を行うことができる。可動部９０としては機械的に首振りを行う形の可動部であっても良いし、またアレイ型超音波発信器を電子的にスキャンすることで回転角度を変化させることができる電子的な可動部であってもよい。

図９の実施例は、ソーナーもしくはソーナーを有する移動体が１つである特徴も有する。この場合、ソーナーの送受信９７は、送信部と受信部が同一の移動体に取り付けられている形であっても良いし、送波と受波を共に行う送受信部を有する形であっても良い。すなわち、例えば送信部として広帯域のPZTトランスデューサー、受信部としてPZT素子アレイを用意しても良いし、送波と受波を共に行うPZT素子アレイを具備していても良い。本実施例においては移動体が１つで有ることにより、簡便に海底面を捜索できるという特徴を有する。

図１０は本発明の更に別の実施例として、ソーナーもしくはソーナーを有する移動体１０００が２つもしくは２つ以上である形態を説明するものである。このときソーナーは送信側移動体に取り付けられたソーナー１００１と受信側移動体に取り付けられたソーナー１００２の送受信の方向はそれぞれ俯角を有し、かつ互いに対向している。送波ソーナー１００１および受波ソーナー１００２はここでは１つずつの形態を示しているが、それぞれ複数ソーナーの形態としても良い。送波側ソーナー１００１から照射された音波は、臨界角以上の俯角では海底堆積層内に透過１００３する一方、臨界角以下の俯角では海底面で反射１００４する。ここで反射波１００４は送波側ソーナーの方向より、受波側ソーナーの方向への強度が大きい。そのため、フットプリント中の輝度の傾向は図９で示したような1つのソーナーが送波受波を兼用する場合と異なる。1つのソーナーが送波受波を兼用する場合は、堆積層内が描出される領域３３の輝度は、堆積層内が描出されない３４領域の輝度より大きい。その一方で、図１０の構成では堆積層内が描出されない領域３４の輝度の方が、堆積層内が描出される領域の輝度３３よりも大きくなる。本発明では埋没物体の消滅／出現ラインを横切るときの物体のエコー信号の変化で埋没／沈底を判断するが、埋没物体が描出されない領域３４の画像輝度が小さいと、物体のエコー信号が消滅したか否かの判定が難しくなり、結果として、埋没／非埋没の判定精度そのものが低下してしまう。これに対し、本実施例のように、対向する２つのソーナーを利用することにより、埋没物体が描出されない領域３４の輝度を向上させ、結果的に埋没／沈底の判別精度を向上させることができる。

また、ここまで図１０においては、移動体が２つの場合を説明行ったが、１つの移動体に複数ソーナーを具備していても良い。図１１は、図１０と同様の原理で同様の効果を得る実施例であり、移動体が１つでソーナーが２つの形態を示すものである。図１１では同一の移動体１１００の前後の端の離れた位置に送波ソーナーＳ１と受波ソーナーＳ２が具備されている。図１０と同様にここでは埋没物体が描出されない領域３４（図１１に示すソナー画像１１０４）の輝度を向上させることで、埋没／沈底の判別精度を向上させることができる。なおこの場合移動体から海底面までの深さが変わると送波ソーナーのフットプリントと受波ソーナーのフットプリントが一致しない問題が起こるが、送波ソーナー１００１の送波俯角、受波ソーナー１００２の受波俯角を符号１１０１のように変えて調整することにより解決が可能であり、このような形態も本発明の範疇である。

さらに、図１１のソーナーＳ１、Ｓ２の一方、ここではソーナーＳ１を送受信兼用としても良い。この場合、複数ソーナーによって受信される信号やソーナー画像を用いることで、さらなる埋没／沈底判定の向上を図ることができる。例えば、ソーナーＳ１の送受信機１００１から送波された音波によるエコーを受信機１００２で受けてソーナーＳ２が描くソーナー画像１１０４と、送受信機１００１から送波された音波のエコーを、そのまま送受信機１００１自身で受信してソーナーＳ１が描くソーナー画像１１０５とを両方利用することで、堆積層内が描出される画像領域３３と描出されない画像領域３４を両方とも高輝度の画像として描画させる（１１０６）ことが可能になる。

また、図１１において、ソーナーＳ１とＳ２の双方を送受信兼用とし、それぞれの送受波器ともに、自身が照射した音波の反射波を受信したときのソーナー画像１１０７および１１０８を用いることができる。移動体の進行方向１１０９に対して、前進方向と後退方向の両方の音波画像を判定用の画像として利用することができ、図６(ｂ)に示したような埋没物体の消滅を利用した判定方法と、出現を利用した判定方法の双方を用いることができ、判定の確度が向上する。

図１２は、複数ソーナーを用いる別の例であり、トウドアレイ（Towed array）ソーナー１２０１に適用した実施例を示す。トウドアレイは、図１２のように多数のソーナー送受波器が線状に並んでおり、航走体１２０２によって曳航される形を取る。このように複数のアレイを利用したソーナーを用いることで何回もの照射音波のフットプリントを対象物（１４や１５）の上に通過させることができるため、埋没／沈底の判定プロセスも複数回行うことによる判定の正確度向上が可能である。例えば、図１２で言えば４回目の埋没／沈底判定の途中であり、ソーナーが５個のトウドアレイソーナーの為、全部で埋没／沈底の判定は５回行うことができることになる。

図１３は、複数ソーナーを用いる別の例であり、サイドスキャンソーナーに適用した実施例を示す。ここまでの実施例は、ソーナー音波の照射方向がソーナー進行方向と同一（前方ソーナー）か、ソーナー進行方向と逆方向（後方ソーナー）の場合であったが、進行方向に対して横方向に音波のフットプリントを形成するサイドスキャンソーナーにおいても本発明の埋没／沈底の判定は適用できる。図１３に示すようにソーナーを具備した移動体１３００の進行方向に対して横方向にソーナー１３０１が設置されている。一般的にサイドスキャンソーナーではソーナーの進行方向１３０２に対して９０度（完全に横方向）の方向に音波を照射する。本実施例では、図のような可動部に（１３０３）よって、照射される音波ビームの照射方向がソーナー進行方向と同一のベクトル成分を持つようにする。そうすることによって、ソーナーが移動し、ソーナーの送信投影領域が静止している物体を通りぬける間に、物体位置から見た音波入射角度が変化し、その角度が臨界俯角を横切るような構成とすることができる。したがって、図６に示したのと同じ方法で埋没／沈底判別が可能となる。

図１４は、複数周波数のソーナーを用いた更に別の実施例を示す。本実施例は、図２に示したように、周波数によって臨界俯角の大きさが異なることを積極的に利用する。臨界俯角が周波数によって異なるので、ある周波数において埋没物体が描画されなかったとしても、異なる周波数を用いることで埋没物体を描画することができる。そこで本実施例においては、同一のソーナー１４００から低周波の送信音波１４０１と高周波の送信音波１４０２の双方を照射する。なお、高周波と低周波は同一の送受波器から送信しても、別の送受波器から送信しても良い。またそれぞれの周波数に対して別の送波器を用いて、同一の広帯域トランスデューサーを受信機として用いることなどにしてもよい。いずれにせよ適当な周波数の組み合わせを選ぶことによって、低周波のソーナー画像１４０４においては、埋没物体と沈底物体が両方とも描出され、高周波のソーナー画像では沈底物体のみを描出させることが可能になる。これらの画像１４０３，１４０４も本発明における判定部への入力として利用することができる。

さらに図１４の低周波による画像と高周波による画像を演算することでさらに埋没／沈底判別の性能を向上させることができる。例えば低周波の画像１４０３と高周波の画像１４０４の減算もしくは除算を行うと結果の画像１４０５には埋没物体が強調された画像１４０５を得ることができる。また、おのおのの和算もしくは乗算を行うと、沈底物体が強調された画像１４０６を得ることができる。このような演算画像１４０５や１４０６を判定部での判定に利用することで本発明の埋没／沈底判別の判定精度を向上させることができ、本発明の範疇となる。

図１５を用いて本発明の画像表示部における埋没領域の表示に関する実施例を示す。図１５(ａ)には、ソーナーの受信信号波形１５００と受信信号にローパスフィルタを掛けた結果を１５０１を示す。波形１５０１は、照射方向の距離に対する受信信号の強度の変化を示し、左側部分の平均強度が高く、右側部分の平均強度が低い。これは、臨界俯角の存在によって、ソーナー手前側では音波が海底近傍から送信ソーナーに反射してきているが、ソーナーから見て遠方では、ソーナーと反対方向に反射することに起因する。そこで、ローパスフィルタを介した受信信号の強度およびもしくはソーナー画像の輝度値がある一定の閾値を超えるか否かの判定により境界１５０２を決定する。なお、この境界決定のための照射（試し照射）は、検出対象の機雷を未発見の海底域に向けての照射でよい。このように決定した境界１５０２よりも近距離側の画像領域（図１５(ｂ)の１５０３）は、画像中に埋没物体を描出する可能性が高い領域であり、遠距距離側の画像領域（図１５(ｂ)の１５０４）は埋没物体が存在していてもそれを描出する可能性が低い領域である。すなわち、本実施例の水中音波撮像装置は、上記のような判定によりソーナー画像を２つの領域に分ける分割部（図４の分割部４８）を有する。また、分割した２つの領域を図１５(ｂ)に示すようにソーナー画像の背景として表示する。更に、各領域に描出される対象の特徴を画像中に表示（１５０５，１５０６）する。

本実施例によれば、埋没機雷を発見してマークし、これを追跡することなく、つまり対象物体を発見する以前に、ソーナー画像中で埋没機雷を描出する可能性の低い領域、描出する可能性の高い領域を知ることができる。

対象物体が検出部にて検出された後には、先に説明した物体からの受信信号もしく輝度ピークの追跡による判定が可能であり、物体が埋没物体である場合に図６(ｃ)の閾値６５との比較により埋没物体の消滅／出現ライン３６が推定できる。この、埋没物体からの実際のエコー信号推移により推定した埋没物体の消滅／出現ライン３６は、事前の試し照射で推定した境界１５０２よりも正確に、埋没物体を検知しうる音波投影領域と沈底物体は検出しても埋没物体は検知しない音波投影領域との境界を示す。よって、判別部から倍没物体である判定が出た際には、画像中の境界の表示を境界１５０２から消滅／出現ライン３６に修正するのが好ましい。

ここで、埋没物を描出する可能性の高低を区別する消滅／出現ライン３６を推定することは、臨界俯角の大きさを推定することと一対一対応する。すなわち消滅／出現ライン３６に対応する音波照射の俯角が臨界俯角となる。また、図２に示す底質対臨界俯角の特性を参照することで、臨界俯角から海底の堆積層の底質（ここでは粒径）を換算できる。そこで本実施例では、消滅／出現ライン３６の位置から臨界俯角、底質を推定して表示する底質表示部１５０８を有する。なおこの底質表示部は図１５(ａ)で説明した試し照射により推定した境界１５０２の位置から、臨界俯角、底質を予測するようにしてもよい。

最後に、本発明におけるフィードバック制御について説明を行う。上記したように、埋没物が消滅もしくは出現した時点から消滅／出現ライン３６、及び臨界俯角が推定されると、この消滅／出現ライン３６の位置、もしくは臨界俯角の値に応じてソーナー送信条件を自動的に変化させることができる。図４の送信制御部４７がこのような、推定値に応じた送信条件変更を行う。例えば、消滅／出現ライン３６が所定より近距離側端部に近い場合（臨界俯角が所定より大きい場合}に、照射音波の周波数を低い周波数に切り替えることで、埋没物体を描出する可能性の高い領域の広さを確保することができる。また、消滅／出現ライン３６が所定より画像の遠距離側端部に近い場合（臨界俯角が所定より小さい場合）には、送波俯角を小さくして送信投影面を遠方に伸ばすようにする。このような制御を有することで、より最適な条件でソーナーの送信音波を照射することができる。なお、図１５(ｂ)の例では、ソーナーコントロールパネル内に照射周波数や送波俯角を変化させるツマミ部１５０７が示される。操作者がこれらの送信条件を設定可能とすることは勿論必要であるが、上記のように推定臨界俯角、もしく画像の境界線の位置により送信条件を自動的に変更する構成とすれば音波送信条件の最適化が図れる。

１０ソーナー
１１海底面
１２臨界俯角
１３ソーナー画像
１４沈底機雷（沈底物体）
１５埋没機雷（埋没物体）
１６音波投影面（フットプリント）
１７検出取りこぼし領域
２１臨界角が出現する底質（粒径）
２２周波数が低い場合の底質に対する臨界俯角
２３周波数が高い場合の底質に対する臨界俯角
３０ソーナー移動方向（後方照射）
３１音波ビーム
３２音波照射方向の指向角
３３堆積層内が描出される画像領域
３４堆積層内が描出されない画像領域
３５ソーナー移動方向（前方照射）
３６埋没物体の消滅／出現ライン
４０送信部
４１受信部
４２信号処理部
４３画像表示部
４４検出部
４５判定部
４６指示部
４７送信制御部
５０検出結果の指示
５１判定結果の指示
５５筐体
６０ソーナー画像群
６１信号強度ライン群
６２沈底物体の信号強度
６３埋没物体の信号強度（消滅判定の場合）
６４埋没物体の信号強度（出現判定の場合）
６５閾値
６６埋没物体出現／消滅箇所の推定点
６７信号強度の大きさ（縦軸）
６８信号強度の時間に対する微分値（縦軸）
６９埋没物体の信号強度の微分値
７２アスペクト比の時間変化
６０１閾値
６０２トレーニングデータ
７０アスペクト比
７１音波照射方向の物体の長さ
８０音線図
８１臨界俯角近辺の拡大図
８２臨界俯角近辺の音線
９０可動部
９１回転角度
９２ソーナー移動方向
９３一回照射時のフットプリント
９４拡大したフットプリント
１００１送信側移動体に取り付けられたソーナー
１００２受信側移動体に取り付けられたソーナー
１００３海底堆積層内に透過する音波
１００４海底面で反射する音波
１１００移動体
１１０１送受信機
１１０２移動体と海底面との距離
１１０４受信機１００２によるソーナー画像
１１０５受信機１００１によるソーナー画像
１１０６処理後画像
１１０７受信機１００２よるソーナー画像
１１０８受信機１００１によるソーナー画像
１１０９移動方向
１２０１トウドアレイ
１２０２航走体
１２０３１アレイのフットプリント
１２０４ソーナー画像全体
１３００サイドスキャンソーナー
１３０１送受信機
１３０２移動方向
１３０３可動部
１４００送受信機
１４０１低周波の送信音波
１４０２高周波の送信音波
１４０３低周波のソーナー画像
１４０４高周波のソーナー画像
１４０５減算・除算時の処理画像
１４０６和算・乗算時の処理画像
１５００受信音波
１５０１ローパスフィルタを掛けた受信音波
１５０２閾値
１５０３埋没物が存在する可能性が高い領域
１５０４埋没物が存在する可能性が低い領域
１５０５埋没物が存在する可能性が高い領域の指示
１５０６埋没物が存在する可能性が低い領域の指示
１５０７送信制御部の明示的な形
１５０８底質表示部

Claims

水中もしくは水上を航行する移動体に取り付けられており、
水底に向けて音波を送信する送信部と、
送信された音波が、少しずつ送波音波の投影面を異にした水底面からの反射音波を逐次受信する受信部と、
受信された信号を処理し、逐次音波画像を生成する信号処理部と、
前記信号処理部の処理結果に基づく音波画像を逐次表示する画像表示部と、
受信信号中にある対象物の信号を検出する検出部と、
前記検出部において検出された対象物からの受信信号強度もしくは受信信号強度から算出された判定用信号を逐次受信される信号間において追跡し、追跡の途中で前記受信信号強度もしくは前記判定用信号の値が一定の閾値を横切って上昇したもしくは下降した場合に前記対象物が水底堆積層内に存在すると判定し、追跡の最後まで前記受信信号強度もしくは前記判定用信号の値が前記閾値を横切らない場合に前記対象物が水底面に存在すると判定する判定部と、
を備える水中音波撮像装置。
請求項１に記載の水中音波撮像装置において、前記検出部で検出された対象物を音波画像中に指示する表示と、前記判定部の判定結果である前記対象物が水底面に存在するか水底堆積層内に存在するかの区別を指示する表示とを前記音波画像に重ねて表示させる指示部を更に有することを特徴とする水中音波撮像装置。
請求項１に記載の水中音波撮像装置において、前記判定用信号として前記対象物からの受信信号の強度の絶対値またはその微分値、前記受信信号を反映する画像の輝度またはその微分値、もしくは前記受信信号をフーリエ変換した値を用いることを特徴とする水中音波撮像装置。
請求項１および３のいずれかに記載の水中音波撮像装置において、前記一定の閾値は前記検出部にて対象物が検出された箇所以外の任意の箇所における受信信号強度もしくは受信信号強度に基づく演算結果を用いて算出された値であることを特徴とする。
請求項１に記載の水中音波撮像装置において、前記判定部での判定用信号として、検出信号の検出幅もしくは音波画像中の対象物のアスペクト比（縦横比）を利用することを特徴とする水中音波撮像装置。
請求項１に記載の水中音波撮像装置において、前記判定部による前記対象物からの受信信号強度もしくは受信信号強度から算出された判定用信号の追跡の際に、値が前記閾値を横切った推定点に従い、前記音波画像の領域を、画像中に埋没物体を描出する領域と、沈低物体は描出しても埋没物体は描出しない領域の２つに分ける分割部を有し、分割した２つの領域の区分を前記音波画像に表示することを特徴とする水中音波撮像装置。
請求項１に記載の水中音波撮像装置において、前記判定部による前記対象物からの受信信号強度もしくは受信信号強度から算出された判定用信号の追跡の際に、値が前記閾値を横切った推定点に応じて、前記送信部による音波の送信条件を変化させる送信制御部を有することを特徴とする水超音波撮像装置。
請求項１に記載の水中音波撮像装置において、前記判定部による前記対象物からの受信信号強度もしくは受信信号強度から算出された判定用信号の追跡の際に、値が前記閾値を横切った推定点から、水底の臨界角を算出し、算出した臨界角から底質を推定して前記臨界角と合わせて表示する底質表示部を有することを特徴とする水中音波撮像装置。
請求項１乃至５のいずれかに記載の水中音波撮像装置において、音波の送受信方向を回転させる機械的可動部およびもしくは電子的可動部を有し、回転によって異なる水底投影面の音波画像を得ることを特徴とする水中音波撮像装置。
請求項１乃至５のいずれかに記載の水中音波撮像装置において、前記送信部と前記受信部とが同一の移動体の前後に離して取り付けられ、もしくは異なる移動体に取り付けられ、互いに向き合って送信、受信動作を行なうことを特徴とする水中超音波撮像装置。
請求項１乃至５のいずれかに記載の水中音波撮像装置において、１つの移動体に送信部と受信部もしくは送受信部との組を複数組取り付けられ、前記判定部での判定に用いる信号として、各組の受信部もしくは送受信部で得られた受信信号を用いることを特徴とする水中音波撮像装置。