JP5991826B2 - 水中探知装置およびプログラム - Google Patents

Description

この発明は、水中に音波を送信し、エコーを受信して魚群等を探知する水中探知装置に関するものである。

従来、特許文献１に示すように、水中探知装置において、エコーの包絡線に基づいて、魚種を判別することが行われている。例えば、特許文献１の水中探知装置では、包絡線のピークの数に基づいて魚種を判別している。

特開２００８−２６７８３４号公報

しかし、包絡線のピーク以外にも魚種判別に有効活用できる情報がある。従来は、人が、魚群探知機の画面に表示されるエコーを目視して、魚種判別に有効活用を抽出していた。例えば残響部分（尾引き）から魚種を判別していたが、魚群探知機の画面に表示されるエコーは、魚群自体からの反射成分であるのか、尾引き成分であるのか、目視で区別することが困難であった。

そこで、この発明は、魚種判別に有効活用できる情報を抽出する水中探知装置を提供することを目的とする。

本発明の水中探知装置は、送信信号に対するエコーの強度に応じた受信信号を出力する送受信部と、前記受信信号に応じた探知結果を出力する探知結果出力部と、を備えている。そして、探知結果出力部は、探知目標のエコー成分の立ち上がりまたは立ち下がり部分を抽出し、前記探知結果に含めて出力する。

立ち上がり部分とは、探知目標のエコー成分（例えば魚群本体を表すエコー成分）以外のエコー成分のうち、当該探知目標のエコー成分に隣接し、かつ自船に近い部分のエコー成分である。立ち下がり部分とは、探知目標のエコー成分（例えば魚群本体を表すエコー成分）以外のエコー成分のうち、当該探知目標のエコー成分に隣接し、かつ自船から遠い部分のエコー成分であり、残響部分（尾引き）に相当する。これらの立ち上がり部分や立ち下がり部分は、魚種判別に有効活用することができる情報である。本発明の水中探知装置は、これらの立ち上がり部分や立ち下がり部分の情報を探知結果に含めて出力するため、他装置（または後段の処理部）において、魚種判別に有効活用することができる。例えば、探知結果を表示する表示部を備えている場合、表示部が、立ち上がりまたは立ち下がり部分を強調表示することで、ユーザが、尾引き部分のエコー成分を即座に把握することができる。

また、探知結果出力部が、立ち上がりまたは立ち下がり部分の受信強度に基づいて、魚種判別情報を生成する態様としてもよい。立ち上がりまたは立ち下がり部分は、魚種毎に特徴的な受信強度を示す。例えば、魚種毎に、立ち上がりまたは立ち下がり部分の平均受信強度に違いが現れるため、探知結果出力部は、当該平均受信強度に基づいて、魚種判別情報を生成することができる。また、例えば、魚種毎に、立ち上がりまたは立ち下がり部分の時間長にも違いが現れるため、探知結果出力部は、当該時間長に基づいて、魚種判別情報を生成することも可能である。

立ち上がり部分や立ち下がり部分は、以下の様にして抽出される。例えば、水中探知装置は、周波数の異なる第１の周波数および第２の周波数の送信信号を出力する。あるいは、水中探知装置は、指向性の異なる複数の送信信号を出力する、出力の異なる複数の送信信号を出力する、パルス幅が異なる複数の送信信号を出力する、等の態様も考えられる。周波数の異なる複数の送信信号を出力する場合、前記探知結果出力部は、第１の周波数における受信信号と第２の周波数における受信信号のうち、強度が異なる部分を抽出し、前記立ち上がりまたは立ち下がり部分とする。強度が異なる部分は、例えば、前記第１の周波数と第２の周波数の送信信号のうち、低周波数の送信信号に対する閾値以上の強度の信号を抽出することでも抽出することができるし、前記第１の周波数と第２の周波数の送信信号のうち、高周波数の送信信号に対する閾値以下の強度の信号を抽出することでもできる。また、第１の周波数における受信信号と第２の周波数における受信信号の差分値を算出し、当該差分値を前記強度が異なる部分とすることも可能である。

この発明によれば、魚種判別に有効活用できる情報を抽出することができる。

水中探知装置の構成を示すブロック図である。 魚群本体部分、立ち上がり部分、および立ち下がり部分を模式的に示した図である。 図３（Ａ）は高周波数のエコーを示す図であり、図３（Ｂ）は低周波数のエコーを示す図である。 立ち上がり部分および立ち下がり部分を強調したエコーを示す図である。 表示態様の例を示した図である。 魚種毎の立ち上がり部分および立ち下がり部分の違いを示した図である。 魚群探知機の動作を示すフローチャートである。

図１は、本発明の水中探知装置の実施形態に係る魚群探知機の構成を示すブロック図である。魚群探知機は、操作部１０、送受波器１１１、送受波器１１２、送受切替部１２１、送受切替部１２２、送信回路１３、制御部１４、受信回路１５、Ａ／Ｄ変換器１６、メモリ１７、信号処理部１８、表示処理部１９、および表示部２０を備えている。

制御部１４は、魚群探知機を統括的に制御するものであり、操作部１０からの探知レンジの設定等の指示入力等に応答して、送信回路１３の送信周期、探知レンジ等を設定し、対応するＡ／Ｄ変換器１６へのサンプリングパルスの周期設定、メモリ１７への書込、読出クロックやアドレス等の生成処理、信号処理部１８、表示処理部１９への各種処理信号の生成、演算処理の実行指示を行うものである。表示部２０は、画面の縦軸を深度方向とし、横軸を時間方向として、表示用の受信データの表示を行うものである。

送信回路１３は、トラップ回路を内蔵した送受切替部１２１および送受切替部１２２を介して、送受信部である送受波器１１１および送受波器１１２にそれぞれパルス状の信号を入力する。送受波器１１１および送受波器１１２は、船底等に取り付けられる振動子であり、送信回路１３から入力されるパルス状の信号に応じて水中にそれぞれ異なる周波数の超音波（送信信号）を出力する。例えば送受波器１１１は、６０ｋＨｚ程度の低周波数（第１の周波数）の送信信号を出力し、送受波器１１２は、２００ｋＨｚ程度の高周波数（第２の周波数）の送信信号を出力する。超音波の出力は、低周波数と高周波数と交互に行われ、ほぼ同じ自船位置の直下に出力される。なお、送受波器の数は２つに限るものではない。例えば、２種類の周波数の送受信を１つの送受波器で行うことも可能である。

送受波器１１１および送受波器１１２が出力した超音波は、魚群や海底等の物標（探知目標）に反射し、エコーとして受信される。送受波器１１１および送受波器１１２は、受信したエコーの強度に応じた受信信号を、送受切替部１２１および送受切替部１２２を介して受信回路１５に出力する。受信回路１５は、入力された受信信号を増幅してＡ／Ｄ変換器１６に出力する。Ａ／Ｄ変換器１６は、受信信号を所定のサンプリングレートでデジタル信号に変換し、メモリ１７に順次記録する。

メモリ１７は、物理的または機能的に低周波数メモリ１７１と高周波数メモリ１７２とを備えている。低周波数メモリ１７１には、送受波器１１１で受信された受信信号が記録され、高周波数メモリ１７２には、送受波器１１２で受信された受信信号が記録される。低周波数メモリ１７１および高周波数メモリ１７２には、それぞれ１回の測定で得られる受信信号のデータが深度方向に所定分解能で（超音波の送信から所定時間経過毎に）順次記録され、複数回の測定に対応するデータ列が記録される。なお、本実施形態では、説明を容易にするために、低周波数メモリ１７１および高周波数メモリ１７２の様に、２つのメモリに分ける例を示しているが、実際にはメモリを分ける必要はない。

信号処理部１８は、メモリ１７に記録された受信信号を表示部２０に表示するためのデータに変換する処理を行う。信号処理部１８は、機能的に探知結果出力部１８１および表示信号作成部１８２を備えている。探知結果出力部１８１は、低周波数メモリ１７１および高周波数メモリ１７２に順次記録された受信信号を読み出し、探知結果として出力する処理を行う。探知結果は、例えば、低周波数メモリ１７１に記録されている各受信信号をそのまま出力したもの、高周波数メモリ１７２に記録されている各受信信号をそのまま出力したものや、干渉除去等の各種信号処理を施した後の受信信号等を含む。

表示信号作成部１８２は、探知結果としての各受信信号を、超音波を出力してからの経過時間に応じて、深度に対応したエコーデータとして表示処理部１９に出力する処理を行う。すなわち、表示信号作成部１８２は、探知結果出力部１８１から出力された各受信信号を、表示部２０の画素数（縦方向の画面解像度）に応じて平均化等の処理を行い、丸め込む処理を行う。ただし、表示部２０の縦方向の画面解像度が受信信号の分解能に近い場合、あるいは同一である場合、受信信号をそのまま各画素に対応するエコーデータとしてもよい。

表示信号作成部１８２は、計算結果を表示処理部１９に出力して当該表示処理部１９の画像メモリ（ＲＡＭ：不図示）の内容を更新する。表示処理部１９は、更新された画像メモリに記録されたエコーデータを表示部２０に出力する。その結果、複数回分のｐｉｎｇのエコーデータが表示部２０に表示される。

ここで、探知結果出力部１８１は、探知目標（魚群）のエコー成分の立ち上がりまたは立ち下がり部分を抽出し、探知結果に含めて出力する。立ち上がり部分とは、図２に示すように、魚群本体を表すエコー成分以外のエコー成分のうち、当該魚群本体のエコー成分に隣接し、かつ自船に近い部分のエコー成分である。立ち下がり部分とは、魚群本体を表すエコー成分以外のエコー成分のうち、当該魚群本体のエコー成分に隣接し、かつ自船から遠い部分のエコー成分であり、残響部分（尾引き）に相当する。これらのエコー成分の立ち上がり部分や立ち下がり部分は、魚種判別に有効活用することができる情報である。例えば、後段の表示信号作成部１８２で、当該立ち上がり部分や立ち下がり部分を強調表示するエコーデータを生成し、表示部２０に表示することで、ユーザが、立ち上がり部分や尾引き部分のエコー成分を即座に把握することができる。

図２を参照して、立ち上がり部分および立ち下がり部分の抽出手法について説明する。図２は、魚群本体部分、立ち上がり部分、および立ち下がり部分を模式的に示した図である。

まず、探知結果出力部１８１は、低周波数メモリ１７１および高周波数メモリ１７２から受信信号を読み出し、それぞれ、深度方向に複数サンプル（例えば１０サンプル）連続して所定値以上の強度を示す部分を魚群全体のエコー部分として抽出する。

そして、探知結果出力部１８１は、魚群全体のエコー成分のうち、低周波数の受信信号が閾値以上となり、高周波数の受信信号が閾値以下となり、かつ深度方向に数サンプル（例えば５サンプル）連続する部分を抽出する。低周波数の受信信号が閾値以上となり、高周波数の受信信号が閾値以下となり、かつ深度方向に数サンプル（例えば５サンプル）連続する部分のうち、自船に近い（深度が浅い）部分を立ち上がり部分とし、自船から遠い（深度が深い）部分を立ち下がり部分とする。

図３（Ａ）は高周波数のエコーを示す図であり、図３（Ｂ）は低周波数のエコーを示す図である。なお、実際の受信信号は、多階調のデータであるが、同図においては説明のために２値化したデータとして説明する。

図３（Ａ）および図３（Ｂ）に示すように、低周波数の超音波と高周波数の超音波とでは、同じ魚群に対するエコーであっても、特に深度方向に大きさが異なるエコーを示す。

これは、高周波数の超音波は低周波数の超音波よりも減衰しやすいためであり、低周波数では閾値以上を示す部分であっても高周波数では閾値以下となり、強度が異なる部分が発生するためである。探知結果出力部１８１は、この特徴を利用し、魚群全体のエコー成分のうち、低周波数の受信信号が閾値以上となり、高周波数の受信信号が閾値以下となり、かつ深度方向に数サンプル（例えば５サンプル）連続する部分を抽出し、立ち上がり部分または立ち下がり部分とする。

また、魚群本体部分の受信信号の強度は、立ち上がり部分または立ち下がり部分に比べて絶対的な強度が高いため、魚種によっては高周波数も低周波数も大きく変わらない場合がある。したがって、探知結果出力部１８１は、高周波数の受信信号と低周波数の受信信号との差分値を算出し、当該差分値の中から立ち上がり部分または立ち下がり部分を抽出することも可能である。

以上のようにして抽出された立ち上がり部分または立ち下がり部分は、探知結果に含まれて表示信号作成部１８２に出力される。表示信号作成部１８２は、例えば図４に示すように、立ち上がり部分または立ち下がり部分を強調して表示する。

また、図５（Ａ）に示すように単画面で立ち上がり部分または立ち下がり部分を強調したものを表示してもよいし、低周波数メモリ１７１に記録されている各受信信号をそのまま出力したものを表示してもよい。この場合、エコー画像自体は低周波数メモリ１７１に記録されている各受信信号をそのまま出力したものを用いながら、立ち上がり部分や立ち下がり部分の深度を数値で表示したり、立ち上がり部分や立ち下がり部分を示すアイコン等の画像をエコー画像に合成して表示してもよい。

また、図５（Ｂ）に示すように、２画面表示で、一方の画面に立ち上がり部分または立ち下がり部分を強調したものを表示し、他方の画面に低周波数メモリ１７１に記録されている各受信信号をそのまま出力したものを表示してもよい。

以上のようにして、ユーザは、魚種判別に有効な立ち上がり部分または立ち下がり部分を即座に把握することができる。

図６を参照して、立ち上がり部分または立ち下がり部分と魚種との関係について説明する。図６（Ａ）は、一例としてアジの魚群エコーの立ち上がりおよび立ち下がり部分を示した図であり、図６（Ｂ）は、一例としてニシンの魚群エコーのの立ち上がりおよび立ち下がり部分を示した図である。

図６（Ａ）および図６（Ｂ）に示すように、アジは立ち上がり部分が深度方向に短く、立ち下がり部分が長い。一方で、ニシンは立ち上がり部分が深度方向に長く、立ち下がり部分が短い。したがって、立ち上がり部分または立ち下がり部分は、魚種判別に有効な情報であることがわかる。

なお、時間方向（ｐｉｎｇ方向）に差が出るのは、高周波数と低周波数で指向性が違うためである。低周波数の超音波は、高周波数の超音波に比べて指向性が低い（すなわちビーム幅が広い）ため、真下に魚群がなくとも、真下以外の方向に出力されている超音波のエコーが検出されるためである。

このように、立ち上がり部分または立ち下がり部分を目視することでも魚種の違いを判別することは可能であるが、当該立ち上がり部分または立ち下がり部分の違いを数値化することで、新たな魚種判別情報（指標）とすることもできる。

例えば、探知結果出力部１８１は、立ち上がり部分または立ち下がり部の面積（サンプル数）を魚種判別情報として探知結果に含めて出力する。あるいは、立ち上がり部分または立ち下がり部分の平均強度を算出し、魚種判別情報として探知結果に含めて出力したり、立ち上がり部分または立ち下がり部分の平均時間長（深度方向の平均長さ）を魚種判別情報として探知結果に含めて出力したりする。

表示信号作成部１８２は、上記面積（サンプル数）や、平均強度、平均時間長（深度方向の平均長さ）等の魚種判別情報を表示部２０に表示するように、例えばテキストデータとして表示処理部１９に出力する。これにより、表示部２０には、上記面積（サンプル数）や、平均強度、平均時間長（深度方向の平均長さ）等の魚種判別情報が数値として表示され、ユーザが魚種判別に有効活用することができる。

また、これらの上記面積（サンプル数）や、平均強度、平均時間長（深度方向の平均長さ）等の魚種判別情報と、魚種を対応付けてデータベース化することで、自動的に魚種判別を行うことも可能である。この場合、探知結果出力部１８１が算出した魚種判別情報でデータベースを参照し、対応する魚種を抽出する。対応する魚種は、例えばテキストデータとして表示処理部１９に出力され、表示部２０に魚種情報が表示される。

次に、図７を参照して、魚群探知機の動作について説明する。まず、魚群探知機は、超音波の送受信を行う（ｓ１１）。すなわち、送信回路１３は、送受切替部１２１および送受切替部１２２を介して、送受波器１１１および送受波器１１２に交互にパルス状の信号を入力し、低周波数の超音波と高周波数の超音波を交互に出力させる。そして、送受波器１１１および送受波器１１２は、受信したエコーの強度に応じた受信信号を、送受切替部１２１および送受切替部１２２を介して受信回路１５に出力する。受信回路１５は、入力された受信信号を増幅してＡ／Ｄ変換器１６に出力する。Ａ／Ｄ変換器１６は、受信信号を所定のサンプリングレートでデジタル信号に変換し、メモリ１７に順次記録する。

次に、探知結果出力部１８１は、低周波数メモリ１７１および高周波数メモリ１７２に記録された受信信号を読み出し、魚群の抽出を行う（ｓ１２）。すなわち、探知結果出力部１８１は、低周波数メモリ１７１および高周波数メモリ１７２から受信信号を読み出し、それぞれ、深度方向に複数サンプル（例えば１０サンプル）連続して所定値以上の強度を示す部分を魚群全体のエコー部分として抽出する。

そして、探知結果出力部１８１は、魚群全体のエコー成分のうち、低周波数の受信信号が閾値以上となり、高周波数の受信信号が閾値以下となり、かつ深度方向に数サンプル（例えば５サンプル）連続する部分のうち、自船に近い（深度が浅い）部分を立ち上がり部分として抽出し（ｓ１３）、自船から遠い（深度が深い）部分を立ち下がり部分として抽出する（ｓ１４）。

魚種判別情報を出力する場合、探知結果出力部１８１は、立ち上がり部分または立ち下がり部分の面積（サンプル数）や、平均強度、平均時間長（深度方向の平均長さ）等の抽出を行う（ｓ１５）。魚種判別情報を出力しない場合には、この処理は省略される。

最後に、探知結果出力部１８１は、抽出した立ち上がり部分や立ち下がり部分、または魚種判別情報等を探知結果に含めて出力する（ｓ１６）。

なお、本実施形態では、信号処理部１８にて立ち上がりおよび立ち下がり部分を抽出し、魚種判別処理を行う例を示したが、これらの処理は、制御部１４にて行ってもよいし、別途、専用のハードウェアを用意してもよい。

なお、上述の例では、周波数が異なる送信信号を出力する例を示したが、指向性の異なる複数の送信信号を出力する、出力の異なる複数の送信信号を出力する、パルス幅が異なる複数の送信信号を出力する、等の態様も考えられる。

また、立ち上がり部分および立ち下がり部分の抽出手法は、上述の例に限るものではない。例えば、受信信号の強度が閾値以上の部分を魚群部分として抽出し、その後、エコーの深度方向や時間方向の波形の特徴量に応じて立ち上がり部分および立ち下がり部分を抽出する。特徴量は、例えば強度の変化量や、平滑化した後の傾き等である。あるいは、閾値処理を行わずに、魚群の形状から、立ち上がり部分および立ち下がり部分を抽出することも可能である。

１０…操作部
１１１，１１２…送受波器
１２１，１２２…送受切替部
１３…送信回路
１４…制御部
１５…受信回路
１６…Ａ／Ｄ変換器
１７…メモリ
１８…信号処理部
１９…表示処理部
２０…表示部

Claims (6)

1. 送信信号に対するエコーの強度に応じた受信信号を出力する送受信部と、
   前記受信信号に応じた探知結果を出力する探知結果出力部と、
   を備えた水中探知装置であって、
   前記送受信部は、低周波数の第１の送信信号および高周波数の第２の送信信号を送信し、
   前記探知結果出力部は、前記第１の送信信号に対する第１の受信信号が第１の閾値以上となり、かつ前記第２の送信信号に対する第２の受信信号が第２の閾値以下となる部分であって、前記エコーの受信タイミングが早い部分を立ち上がり部分とし、前記エコーの受信タイミングが遅い部分を立ち下がり部分として抽出し、前記探知結果に含めて出力し、
   前記探知結果出力部は、前記立ち上がりまたは立ち下がり部分のサンプル数を、魚種判別情報として前記探知結果に含めて出力することを特徴とする水中探知装置。
2. 送信信号に対するエコーの強度に応じた受信信号を出力する送受信部と、
   前記受信信号に応じた探知結果を出力する探知結果出力部と、
   を備えた水中探知装置であって、
   前記送受信部は、低周波数の第１の送信信号および高周波数の第２の送信信号を送信し、
   前記探知結果出力部は、前記第１の送信信号に対する第１の受信信号が第１の閾値以上となり、かつ前記第２の送信信号に対する第２の受信信号が第２の閾値以下となる部分であって、前記エコーの受信タイミングが早い部分を立ち上がり部分とし、前記エコーの受信タイミングが遅い部分を立ち下がり部分として抽出し、前記探知結果に含めて出力し、
   前記探知結果出力部は、前記立ち上がりまたは立ち下がり部分の平均受信強度を、魚種判別情報として前記探知結果に含めて出力することを特徴とする水中探知装置。
3. 送信信号に対するエコーの強度に応じた受信信号を出力する送受信部と、
   前記受信信号に応じた探知結果を出力する探知結果出力部と、
   を備えた水中探知装置であって、
   前記送受信部は、低周波数の第１の送信信号および高周波数の第２の送信信号を送信し、
   前記探知結果出力部は、前記第１の送信信号に対する第１の受信信号が第１の閾値以上となり、かつ前記第２の送信信号に対する第２の受信信号が第２の閾値以下となる部分であって、前記エコーの受信タイミングが早い部分を立ち上がり部分とし、前記エコーの受信タイミングが遅い部分を立ち下がり部分として抽出し、前記探知結果に含めて出力し、
   前記探知結果出力部は、前記立ち上がりまたは立ち下がり部分の時間長を、魚種判別情報として前記探知結果に含めて出力することを特徴とする水中探知装置。
4. 送信信号に対するエコーの強度に応じた受信信号を出力する送受信ステップと、
   前記受信信号に応じた探知結果を出力する探知結果出力ステップと、
   をコンピュータに実行させるプログラムであって、
   前記送受信ステップは、低周波数の第１の送信信号および高周波数の第２の送信信号を送信し、
   前記探知結果出力ステップは、前記第１の送信信号に対する第１の受信信号が閾値以上となり、かつ前記第２の送信信号に対する第２の受信信号が閾値以下となる部分であって、前記エコーの受信タイミングが早い部分を立ち上がり部分とし、前記エコーの受信タイミングが遅い部分を立ち下がり部分として、前記探知結果に含めて出力する処理であり、
   前記探知結果出力ステップは、前記立ち上がりまたは立ち下がり部分のサンプル数を、魚種判別情報として前記探知結果に含めて出力することを特徴とするプログラム。
5. 送信信号に対するエコーの強度に応じた受信信号を出力する送受信ステップと、
   前記受信信号に応じた探知結果を出力する探知結果出力ステップと、
   をコンピュータに実行させるプログラムであって、
   前記送受信ステップは、低周波数の第１の送信信号および高周波数の第２の送信信号を送信し、
   前記探知結果出力ステップは、前記第１の送信信号に対する第１の受信信号が閾値以上となり、かつ前記第２の送信信号に対する第２の受信信号が閾値以下となる部分であって、前記エコーの受信タイミングが早い部分を立ち上がり部分とし、前記エコーの受信タイミングが遅い部分を立ち下がり部分として、前記探知結果に含めて出力する処理であり、
   前記探知結果出力ステップは、前記立ち上がりまたは立ち下がり部分の平均受信強度を、魚種判別情報として前記探知結果に含めて出力することを特徴とするプログラム。
6. 送信信号に対するエコーの強度に応じた受信信号を出力する送受信ステップと、
   前記受信信号に応じた探知結果を出力する探知結果出力ステップと、
   をコンピュータに実行させるプログラムであって、
   前記送受信ステップは、低周波数の第１の送信信号および高周波数の第２の送信信号を送信し、
   前記探知結果出力ステップは、前記第１の送信信号に対する第１の受信信号が閾値以上となり、かつ前記第２の送信信号に対する第２の受信信号が閾値以下となる部分であって、前記エコーの受信タイミングが早い部分を立ち上がり部分とし、前記エコーの受信タイミングが遅い部分を立ち下がり部分として、前記探知結果に含めて出力する処理であり、
   前記探知結果出力ステップは、前記立ち上がりまたは立ち下がり部分の時間長を、魚種判別情報として前記探知結果に含めて出力することを特徴とするプログラム。

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