JP6179973B2 - Signal processing device, underwater detection device, signal processing method, and program - Google Patents
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Description
本発明は、水中のターゲットを探知するための信号処理装置、水中探知装置、信号処理方法、及びプログラムに関する。 The present invention relates to a signal processing device, an underwater detection device, a signal processing method, and a program for detecting an underwater target.
水中に存在する魚等のターゲットを探知するソナー装置が知られている(例えば、特許文献1参照)。このソナー装置のうち、複数の超音波振動子を有する備えたソナー装置(例えばスキャニングソナー)は、各超音波振動子を振動することで超音波を送信する。超音波パルス送信の際、このソナー装置は、各超音波振動子の送信パルスの位相を調整することで送信ビームを生成する。また、このソナー装置は、送信した超音波の反射波であるエコー信号を、各超音波振動子で受信する。そして、ソナー装置は、マルチビーム法(ビームフォーミング法)、又は超解像法(適応ビームフォーミング法)を用いて受信ビーム出力を生成し、最終的に表示装置の表示画面にPPI(Plan Position Indicator)画像を表示する。適応ビームフォーミング法として、Capon法、ESPRIT法、MUSIC法、Prony法等を例示することができる。 A sonar device that detects a target such as a fish existing in water is known (see, for example, Patent Document 1). Among the sonar devices, a sonar device (for example, a scanning sonar) having a plurality of ultrasonic transducers transmits ultrasonic waves by vibrating each ultrasonic transducer. When transmitting an ultrasonic pulse, the sonar device generates a transmission beam by adjusting the phase of the transmission pulse of each ultrasonic transducer. Further, this sonar device receives an echo signal, which is a reflected wave of the transmitted ultrasonic wave, by each ultrasonic transducer. The sonar device generates a received beam output by using a multi-beam method (beam forming method) or a super-resolution method (adaptive beam forming method), and finally displays a PPI (Plan Position Indicator) on the display screen of the display device. ) Display the image. Examples of the adaptive beamforming method include Capon method, ESPRIT method, MUSIC method, and Prony method.
ところで、図15に示すように、例えば魚等の3体のターゲットF1,F2,F3が海底SB付近に存在する場合を考える。この場合、船100に搭載されたソナー装置は、海底SBに向けて送信ビームB101を送信する。このソナー装置は、一般的なマルチビーム法を用いて受信ビームを形成し、この受信ビームに基づいてPPI画像を生成する。これにより、ソナー装置の表示装置には、図16に示すようなPPI画像が表示される。尚、図15では、水平面に対する送信ビームB101の方向、及び受信ビームの方向の何れもが、俯角θ=θ100として設定されている。通常、送信ビームB101は、俯角θの方向に鋭く、水平方向には無指向である。
By the way, as shown in FIG. 15, consider a case where three targets F1, F2, F3 such as fish are present near the seabed SB. In this case, the sonar device mounted on the
図16に示すPPI画像では、ターゲットが明確に識別できないという問題がある。具体的には、図15及び図16を参照して、3体のターゲットF1,F2,F3のエコー信号のうち、海底SBからのエコー信号SSB(残響)の影響を最も大きく受けるターゲットF3(図15ではソナー装置から一番遠方に位置するターゲット)のエコー信号が、海底SBからのエコー信号SSBによってマスクされてしまう。その結果、PPI画像では、ターゲットF3のエコー像FE3は、海底SBのエコー像SBEにマスクされてしまい、エコー像SBEと識別され難い。これは、ソナー装置からの送信ビームB101のメインローブが、海底で反射されること等によって、生じる。尚、図解を容易にするため、PPI画像を示す全ての図において、ターゲットのエコー像は、丸線CLで囲まれている。丸線CLは、実際のPPI画像には表示されない。 The PPI image shown in FIG. 16 has a problem that the target cannot be clearly identified. Specifically, referring to FIG. 15 and FIG. 16, among the echo signals of the three targets F1, F2, and F3, the target F3 that is most affected by the echo signal SSB (reverberation) from the seabed SB (see FIG. 15). 15, the echo signal of the target farthest from the sonar device is masked by the echo signal SSB from the seabed SB. As a result, in the PPI image, the echo image FE3 of the target F3 is masked by the echo image SBE of the seabed SB and is difficult to be distinguished from the echo image SBE. This occurs, for example, when the main lobe of the transmission beam B101 from the sonar device is reflected on the seabed. For ease of illustration, the target echo image is surrounded by a circular line CL in all the diagrams showing PPI images. The round line CL is not displayed in the actual PPI image.
図17は、図16のPPI画像を生成する際に送信された送信ビームB101の送波指向性を示すグラフである。図17では、θ100=20°である場合の送波指向性が示されている。 FIG. 17 is a graph showing the transmission directivity of the transmission beam B101 transmitted when generating the PPI image of FIG. FIG. 17 shows the transmission directivity when θ 100 = 20 °.
上述した問題に対し、マルチビーム法を用いたソナー装置であれば、俯角θを、θ100よりも小さいθ99にすることで、海底SBからのエコー信号SSBの感度を下げることができる。これにより、図18に示すように、PPI画像において、3つのターゲットF1,F2,F3のエコー像FE1,FE2,FE3と、海底SBのエコー像SBEとを、比較的明確に識別できる。図19は、図18のPPI画像を生成する際に送信された送信ビームの送波指向性を示すグラフである。図19では、θ99=15°である場合の送波指向性が示されている。θ99は、θ100よりも5°小さい。 To the problems described above, if the sonar apparatus using a multi-beam method, the depression angle theta, by a small theta 99 than theta 100, it is possible to reduce the sensitivity of the echo signal SSB from the seabed SB. Accordingly, as shown in FIG. 18, in the PPI image, the echo images FE1, FE2, and FE3 of the three targets F1, F2, and F3 and the echo image SBE of the seabed SB can be identified relatively clearly. FIG. 19 is a graph showing the transmission directivity of the transmission beam transmitted when generating the PPI image of FIG. FIG. 19 shows the transmission directivity when θ 99 = 15 °. θ 99 is 5 ° smaller than θ 100 .
しかしながら、マルチビーム法を用いたソナー装置において、ターゲットのエコー像と、他のエコー像とを、より一層明確に識別できるようにすることが、好ましい。 However, in a sonar device using the multi-beam method, it is preferable to make it possible to more clearly distinguish an echo image of a target from another echo image.
また、図20に示すように、超解像法を用いるソナー装置において、ターゲットを正確に識別できないという問題が、存在する。図21は、図20のPPI画像を生成する際に送信された送信ビームの送波指向性を示すグラフである。図21では、θ100=20°である場合の送波指向性が示されている。 In addition, as shown in FIG. 20, there is a problem that a target cannot be accurately identified in a sonar device using a super-resolution method. FIG. 21 is a graph showing the transmission directivity of the transmission beam transmitted when generating the PPI image of FIG. FIG. 21 shows the transmission directivity when θ 100 = 20 °.
図20及び図21に示すように、俯角θ=θ100である場合、PPI画像には、エコー像FE1,FE2は表示される。しかしながら、PPI画像において、エコー像FE3は、海底SBのエコー像SBEにマスクされてしまい、エコー像SBEと識別できない。 As shown in FIGS. 20 and 21, when the depression angle θ = θ 100 , the echo images FE1 and FE2 are displayed on the PPI image. However, in the PPI image, the echo image FE3 is masked by the echo image SBE of the seabed SB and cannot be distinguished from the echo image SBE.
ここで、超解像法を用いたソナー装置は、俯角θを、θ100よりも小さいθ99に変更することで、海底SBからのエコー信号SSBの感度を下げることが考えられる。しかしながら、このようにしても、図22に示すように、依然として、PPI画像でターゲットを明確に表示できない。これは、超解像法を用いた場合、従来のマルチビーム法を用いた場合に比べて分解能が高いことに起因する。即ち、海底SBからのエコー信号SSBの感度の低下とともにターゲットF1,F2,F3からのエコー信号の感度も低下することが原因である。尚、図23は、図22のPPI画像を生成する際に送信された送信ビームの送波指向性を示すグラフである。図23では、θ99=15°である場合の送波指向性が示されている。 Here, the sonar apparatus using ultrasonic resolution method, the depression angle theta, by changing the small theta 99 than theta 100, it is conceivable to reduce the sensitivity of the echo signal SSB from the seabed SB. However, even in this case, as shown in FIG. 22, the target cannot still be clearly displayed in the PPI image. This is because the resolution is higher when the super-resolution method is used than when the conventional multi-beam method is used. That is, this is because the sensitivity of the echo signals from the targets F1, F2, and F3 also decreases as the sensitivity of the echo signal SSB from the seabed SB decreases. FIG. 23 is a graph showing the transmission directivity of the transmission beam transmitted when generating the PPI image of FIG. In FIG. 23, the transmission directivity when θ 99 = 15 ° is shown.
超解像法を用いた場合に、ターゲットを明確に識別できない原因を、更に詳細に説明する。図24及び図25は、超解像法を用いたソナー装置における送波指向性及び受信特性を示すグラフである。尚、図24及び図25の横軸は、ソナー装置を中心とした俯角を表している。また、ターゲット(魚)は、俯角=20度の位置に設定され、ノイズ(海底)は、俯角=25度の位置に設定されている。図24,図25では、ソナー装置から俯角θ100=20°の方向に、ターゲット(魚)が存在している場合が示されている。 The reason why the target cannot be clearly identified when the super-resolution method is used will be described in more detail. 24 and 25 are graphs showing transmission directivity and reception characteristics in a sonar device using the super-resolution method. Note that the horizontal axis of FIGS. 24 and 25 represents the depression angle centered on the sonar device. Further, the target (fish) is set at a depression angle = 20 degrees, and the noise (the sea floor) is set at a depression angle = 25 degrees. 24 and 25 show a case where a target (fish) exists in the direction of the depression angle θ 100 = 20 ° from the sonar device.
図24及び図25において、グラフG1は、送信ビームの特性を示している。また、グラフG2は、受信特性(受信ビームの特性)を示している。また、グラフG3は、ターゲットからの受信強度を示している。また、グラフG4は、海底からの信号強度(ノイズ強度)を示している。 24 and 25, a graph G1 indicates the characteristics of the transmission beam. Further, the graph G2 shows reception characteristics (reception beam characteristics). Further, the graph G3 indicates the reception intensity from the target. Graph G4 shows the signal strength (noise strength) from the seabed.
超解像法は、素子(超音波振動子)の位置及び感度のばらつき等に対して脆弱である。素子にばらつきがある場合、エコー信号強度の弱いターゲットの信号強度が、エコー信号強度の強いノイズの影響により劣化することがある。これを図24に当てはめると、送受信ビームの送受信方向、すなわち、ステアリング方向上の位置の近傍に強いノイズ(海底)が存在すると、受信特性G2となることがある。 The super-resolution method is vulnerable to variations in the position and sensitivity of the element (ultrasonic transducer). When the elements vary, the signal strength of the target having a weak echo signal strength may be deteriorated by the influence of noise having a strong echo signal strength. When this is applied to FIG. 24, if there is a strong noise (sea floor) near the position in the transmission / reception direction of the transmission / reception beam, that is, the steering direction, the reception characteristic G2 may be obtained.
これに対して、図25のように送受信ビームの送受信方向を上方にシフトする、すなわち俯角θを小さくすると、受信特性G2の信号は、海底SBからのエコー信号SSBを、受信しないようにできる。しかしながら、この場合、受信ビームのステアリング方向も変更されているため、本来得たい出力の方向とは異なる方向の出力を算出してしまい、正確な出力が得られない。 On the other hand, when the transmission / reception direction of the transmission / reception beam is shifted upward as shown in FIG. 25, that is, the depression angle θ is reduced, the signal of the reception characteristic G2 can be prevented from receiving the echo signal SSB from the seabed SB. However, in this case, since the steering direction of the received beam is also changed, an output in a direction different from the direction of the output desired to be originally obtained is calculated, and an accurate output cannot be obtained.
そこで本発明は、海底付近に存在するターゲットを、より明確に識別することのできる信号処理装置、水中探知装置、信号処理方法、及びプログラムを提供することを目的とする。 Therefore, an object of the present invention is to provide a signal processing device, an underwater detection device, a signal processing method, and a program that can more clearly identify a target existing near the seabed.
(1)上記課題を解決するため、本発明のある局面に係る信号処理装置は、複数の超音波振動子により水中に超音波による送信ビームを送信し、ターゲットからの受信信号を複数の超音波振動子により受信して前記ターゲットを探知する水中探知装置に用いる信号処理装置であって、送信ビーム制御部と、受信ビーム形成部と、を備えている。前記送信ビーム制御部は、前記送信ビームを所定の俯角である所定の送信俯角に設定する。前記受信ビーム形成部は、前記受信信号に基づいて、所定の俯角である所定の受信俯角に受信ビームを形成する。前記信号処理装置では、前記所定の受信俯角に対する探知において前記送信俯角が前記受信俯角よりも小さく設定され、前記受信俯角が第1の俯角にあるときの前記送信俯角と前記第1の俯角との角度差は、前記受信俯角が前記第1の俯角よりも小さい第2の俯角にあるときの前記送信俯角と前記第2の俯角との角度差よりも小さい。 (1) In order to solve the above-described problem, a signal processing apparatus according to an aspect of the present invention transmits a transmission beam using ultrasonic waves into water using a plurality of ultrasonic transducers, and receives a reception signal from a target as a plurality of ultrasonic waves. A signal processing device used in an underwater detection device that detects a target by receiving with a vibrator, and includes a transmission beam control unit and a reception beam forming unit. The transmission beam control unit sets the transmission beam to a predetermined transmission depression angle that is a predetermined depression angle . The reception beam forming unit forms a reception beam at a predetermined reception depression angle that is a predetermined depression angle based on the reception signal. Wherein the signal processing apparatus, the predetermined said feed Shin俯 angle in detection for the received depression angle is set rather smaller than the receiving Shin俯 angle, the said transmission depression when said receiving depression is in the first depression angle a angle difference between the first depression angle is not smaller than the angle difference between the transmission depression and the second depression angle of when the receiving depression is in the second depression angle is smaller than the first depression angle.
(2)好ましくは、前記受信ビーム形成部は、前記受信信号の相関行列と、前記超音波振動子に関するステアリングベクトルとを用いて、前記受信ビームを形成する。 (2) Preferably, the reception beam forming unit forms the reception beam using a correlation matrix of the reception signal and a steering vector related to the ultrasonic transducer.
(3)好ましくは、前記受信ビーム形成部は、適応ビームフォーミング法を用いて、前記受信ビームを形成する。 (3) Preferably, the reception beam forming unit forms the reception beam using an adaptive beam forming method.
(4)好ましくは、前記受信ビーム形成部は、複数の前記超音波振動子からの前記受信信号を遅延させ、遅延させた各前記受信信号を合成することによって、前記受信ビームを形成する。 (4) Preferably, the reception beam forming unit forms the reception beam by delaying the reception signals from a plurality of the ultrasonic transducers and combining the delayed reception signals.
(5)好ましくは、前記受信ビーム形成部は、ビームフォーマ法を用いて、前記受信ビームを形成する。 (5) Preferably, the reception beam forming unit forms the reception beam using a beam former method.
(6)上記課題を解決するため、本発明のある局面に係る水中探知装置は、水中のターゲットを探知する水中探知装置であって、前記信号処理装置と、前記複数の超音波振動子と、を備えている。前記超音波振動子は、水中に超音波を送信する。また、前記超音波振動子は、ターゲットからの前記受信信号を受信する。 ( 6 ) In order to solve the above problem, an underwater detection device according to an aspect of the present invention is an underwater detection device that detects an underwater target, the signal processing device, the plurality of ultrasonic transducers, It has. The ultrasonic transducer transmits ultrasonic waves into water. The ultrasonic transducer receives the reception signal from the target.
(7)より好ましくは、水中に超音波を送信する前記複数の超音波振動子と前記受信信号を受信する前記複数の超音波振動子が共通している。
(8)上記課題を解決するため、本発明のある局面に係る信号処理装置は、複数の超音波振動子により水中に超音波による送信ビームを送信し、ターゲットからの受信信号を複数の超音波振動子により受信して前記ターゲットを探知する水中探知装置に用いる信号処理装置であって、前記送信ビームを所定の俯角である所定の送信俯角に設定する送信ビーム制御部と、前記受信信号に基づいて、所定の俯角である所定の受信俯角に受信ビームを形成する受信ビーム形成部と、を備え、前記所定の受信俯角に対する探知において前記送信俯角が前記受信俯角よりも小さく設定され、前記受信俯角が所定の第1の俯角にあるときの海底からのエコー信号の信号強度を第1海底信号強度としたときの前記送信俯角と前記第1の俯角との角度差は、前記海底からのエコー信号の信号強度が第1海底信号強度よりも小さい第2海底信号強度のときの前記送信俯角と前記第1の俯角との角度差よりも大きい。
( 7 ) More preferably, the plurality of ultrasonic transducers that transmit ultrasonic waves in water and the plurality of ultrasonic transducers that receive the reception signal are common.
(8) In order to solve the above-described problem, a signal processing device according to an aspect of the present invention transmits a transmission beam using ultrasonic waves into water using a plurality of ultrasonic transducers, and receives a reception signal from a target as a plurality of ultrasonic waves A signal processing device used in an underwater detection device that detects a target by receiving by a vibrator, wherein the transmission beam is set to a predetermined transmission depression angle that is a predetermined depression angle, and based on the received signal A reception beam forming unit that forms a reception beam at a predetermined reception depression angle that is a predetermined depression angle, and the transmission depression angle is set to be smaller than the reception depression angle in the detection with respect to the predetermined reception depression angle, and the reception depression angle The difference in angle between the transmission depression angle and the first depression angle when the signal intensity of the echo signal from the seabed at the predetermined first depression angle is the first ocean bottom signal intensity is The signal strength of the echo signal from the ocean floor is greater than the angle difference between the transmission depression and the first depression angle when the small second undersea signal strength than the first undersea signal strength.
(9)上記課題を解決するため、本発明のある局面に係る信号処理方法は、複数の超音波振動子により水中に超音波による送信ビームを送信し、ターゲットからの受信信号を複数の超音波振動子により受信して前記ターゲットを探知する水中探知装置における信号処理方法であって、送信ビーム制御ステップと、受信ビーム形成ステップと、を含む。前記送信ビーム制御ステップは、前記送信ビームを所定の俯角である所定の送信俯角に設定する。前記受信ビーム形成ステップは、前記受信信号に基づいて、所定の俯角である所定の受信俯角に受信ビームを形成する。前記所定の受信俯角に対する探知において前記送信俯角が前記受信俯角よりも小さく設定され、前記受信俯角が第1の俯角にあるときの前記送信俯角と前記第1の俯角との角度差は、前記受信俯角が前記第1の俯角よりも小さい第2の俯角にあるときの前記送信俯角と前記第2の俯角との角度差よりも小さい。
(10)上記課題を解決するため、本発明のある局面に係る信号処理方法は、複数の超音波振動子により水中に超音波による送信ビームを送信し、ターゲットからの受信信号を複数の超音波振動子により受信して前記ターゲットを探知する水中探知装置に用いる信号処理方法であって、前記送信ビームを所定の俯角である所定の送信俯角に設定する送信ビーム制御ステップと、前記受信信号に基づいて、所定の俯角である所定の受信俯角に受信ビームを形成する受信ビーム形成ステップと、を含み、前記所定の受信俯角に対する探知において前記送信俯角が前記受信俯角よりも小さく設定され、前記受信俯角が所定の第1の俯角にあるときの海底からのエコー信号の信号強度を第1海底信号強度としたときの前記送信俯角と前記第1の俯角との角度差は、前記海底からのエコー信号の信号強度が第1海底信号強度よりも小さい第2海底信号強度のときの前記送信俯角と前記第1の俯角との角度差よりも大きい。
(9) In order to solve the above-mentioned problem, a signal processing method according to an aspect of the present invention transmits an ultrasonic transmission beam into water using a plurality of ultrasonic transducers, and receives a reception signal from a target as a plurality of ultrasonic waves. A signal processing method in an underwater detection apparatus that receives a transducer to detect the target, and includes a transmission beam control step and a reception beam forming step. The transmission beam control step sets the transmission beam to a predetermined transmission depression angle that is a predetermined depression angle . The reception beam forming step forms a reception beam at a predetermined reception depression angle that is a predetermined depression angle based on the reception signal. Angle between the predetermined said feed Shin俯 angle in detection for the received depression angle is set rather smaller than the receiving Shin俯 angle, the transmission depression and the first depression angle when the receiving depression is in the first depression angle the difference is not smaller than the angle difference between the transmission depression and the second depression angle of when the receiving depression is in the second depression angle is smaller than the first depression angle.
(10) In order to solve the above-described problem, a signal processing method according to an aspect of the present invention transmits an ultrasonic transmission beam into water using a plurality of ultrasonic transducers, and receives a reception signal from a target as a plurality of ultrasonic waves. A signal processing method for use in an underwater detection device that detects a target by receiving by a transducer, wherein the transmission beam is set to a predetermined transmission depression angle that is a predetermined depression angle, and based on the received signal A reception beam forming step of forming a reception beam at a predetermined reception depression angle that is a predetermined depression angle, wherein the transmission depression angle is set to be smaller than the reception depression angle in the detection with respect to the predetermined reception depression angle, and the reception depression angle The transmission depression angle and the first depression angle when the signal intensity of the echo signal from the seabed when the is at a predetermined first depression angle is the first ocean floor signal intensity. Angular difference, the signal intensity of the echo signal from the ocean floor is greater than the angle difference between the transmission depression and the first depression angle when the small second undersea signal strength than the first undersea signal strength.
(11)上記課題を解決するため、本発明のある局面に係るプログラムは、複数の超音波振動子により水中に超音波による送信ビームを送信し、ターゲットからの受信信号を複数の超音波振動子により受信して前記ターゲットを探知する水中探知装置のためのプログラムであって、コンピュータに、送信ビーム制御ステップと、受信ビーム形成ステップとを実行させる。前記送信ビーム制御ステップは、前記送信ビームを所定の俯角である所定の送信俯角に設定する。前記受信ビーム形成ステップは、前記受信信号に基づいて、所定の俯角である所定の受信俯角に受信ビームを形成する。前記所定の受信俯角に対する探知において前記送信俯角が前記受信俯角よりも小さく設定され、前記受信俯角が第1の俯角にあるときの前記送信俯角と前記第1の俯角との角度差は、前記受信俯角が前記第1の俯角よりも小さい第2の俯角にあるときの前記送信俯角と前記第2の俯角との角度差よりも小さい。
(12)上記課題を解決するため、本発明のある局面に係るプログラムは、複数の超音波振動子により水中に超音波による送信ビームを送信し、ターゲットからの受信信号を複数の超音波振動子により受信して前記ターゲットを探知する水中探知装置のためのプログラムであって、コンピュータに、前記送信ビームを所定の俯角である所定の送信俯角に設定する送信ビーム制御ステップと、前記受信信号に基づいて、所定の俯角である所定の受信俯角に受信ビームを形成する受信ビーム形成ステップと、を実行させ、前記所定の受信俯角に対する探知において前記送信俯角が前記受信俯角よりも小さく設定され、前記受信俯角が所定の第1の俯角にあるときの海底からのエコー信号の信号強度を第1海底信号強度としたときの前記送信俯角と前記第1の俯角との角度差は、前記海底からのエコー信号の信号強度が第1海底信号強度よりも小さい第2海底信号強度のときの前記送信俯角と前記第1の俯角との角度差よりも大きい。
( 11 ) In order to solve the above-described problem, a program according to an aspect of the present invention transmits an ultrasonic transmission beam into water using a plurality of ultrasonic transducers, and receives a reception signal from a target as a plurality of ultrasonic transducers. Is a program for an underwater detection apparatus that detects the target by receiving the signal, and causes a computer to execute a transmission beam control step and a reception beam forming step. The transmission beam control step sets the transmission beam to a predetermined transmission depression angle that is a predetermined depression angle . The reception beam forming step forms a reception beam at a predetermined reception depression angle that is a predetermined depression angle based on the reception signal. Angle between the predetermined said feed Shin俯 angle in detection for the received depression angle is set rather smaller than the receiving Shin俯 angle, the transmission depression and the first depression angle when the receiving depression is in the first depression angle the difference is not smaller than the angle difference between the transmission depression and the second depression angle of when the receiving depression is in the second depression angle is smaller than the first depression angle.
(12) In order to solve the above-described problem, a program according to an aspect of the present invention transmits a transmission beam using ultrasonic waves in water using a plurality of ultrasonic transducers, and receives a reception signal from a target as a plurality of ultrasonic transducers. A transmission beam control step for setting the transmission beam to a predetermined transmission depression angle, which is a predetermined depression angle, and a program for an underwater detection device that detects the target by receiving the signal based on the received signal A reception beam forming step of forming a reception beam at a predetermined reception depression angle that is a predetermined depression angle, and in detecting the predetermined reception depression angle, the transmission depression angle is set smaller than the reception depression angle, and the reception The transmission depression angle when the signal intensity of the echo signal from the seabed when the depression angle is at the predetermined first depression angle is the first ocean floor signal intensity; The angle difference from the first depression angle is the difference between the transmission depression angle and the first depression angle when the signal intensity of the echo signal from the seabed is a second seabed signal intensity that is smaller than the first seabed signal intensity. Bigger than.
本発明によれば、海底付近に存在するターゲットを、より明確に識別することができる。 According to the present invention, a target existing near the seabed can be more clearly identified.
以下、本発明を実施するための形態について図面を参照しつつ説明する。尚、以下では、図中同一又は相当部分には同一符号を付してその説明は繰り返さない。 Hereinafter, embodiments for carrying out the present invention will be described with reference to the drawings. In the following, the same or corresponding parts in the drawings will be denoted by the same reference numerals and description thereof will not be repeated.
[ソナー装置の構成]
図1は、本発明の実施形態に係るソナー装置(水中探知装置)1の構成を示すブロック図である。図2は、本発明の実施形態に係るソナー装置1が水中を探知する様子を示す斜視図である。図3(a)は、本発明の実施形態に係るソナー装置1が、ある一部の方位について水中のターゲットF1,F2,F3を探知する様子を示す側面図である。本実施形態のソナー装置1は、例えば、漁船等の船舶に備えられている。以下では、ソナー装置1を備えている船舶を「自船」という。尚、本実施形態では、ソナー装置1としてスキャニングソナーを例に説明する。
[Configuration of sonar device]
FIG. 1 is a block diagram showing a configuration of a sonar device (underwater detection device) 1 according to an embodiment of the present invention. FIG. 2 is a perspective view showing how the
図1〜図3(a)を参照して、ソナー装置1は、自船50に備えられている。自船50は、水上で浮いており、水中には、ターゲットF1,F2,F3が存在している。ターゲットF1,F2,F3は、例えば、魚である。
With reference to FIG. 1 to FIG. 3A, the
本実施形態に係るソナー装置1は、複数の超音波振動子により水中に超音波による送信ビームB1を送信し、次いで、水中のターゲット(例えば、F1,F2,F3)からの受信信号を複数の超音波振動子により受信し、上記ターゲットを探知するように構成されている。
The
ソナー装置1は、送受波器2と、送受切替部3と、送信ビーム制御部4と、増幅部5と、A/D変換部6と、受信ビーム形成部7と、操作・表示装置8と、を備えている。
The
送信ビーム制御部4及び受信ビーム形成部7によって、信号処理装置10が形成されている。尚、ソナー装置1は、操作・表示装置8を備えていなくてもよい。この場合、ソナー装置1は、受信ビーム形成部7から出力したデータを、外部の表示装置で表示させる構成とすることができる。
A
送受波器2は、超音波を送受信する機能を有し、自船1の船底等に取り付けられている。送受波器2は、例えば、略円筒形状であって、その軸方向が垂直方向に沿い、半径方向が水平方向に沿うように配置されている。
The
より具体的には、送受波器2は、略円筒形状の筐体と、この筐体の外周面に取り付けられた複数の超音波振動子と、を有している。各超音波振動子は、超音波を水中に送信するとともに、水中からのエコー信号を受信し、このエコー信号を電気信号に変換することで、受信信号を受信する。このように、本実施形態では、送受波器2において、水中に超音波を送信する複数の超音波振動子と、ターゲットからの受信信号を受信する複数の超音波振動子とは、共通している。尚、水中に超音波を送信する複数の超音波振動子と、受信信号を受信する複数の超音波振動子とは、別個であってもよい。また、送受波器2の形状は特に限定されるものではなく、例えば、球形状等の他の形状でもよい。また、以下の説明では、超音波振動子ごとの送信又は受信の系統をチャネルと称する。
More specifically, the
送信ビーム制御部4は、送受波器2の各超音波振動子を駆動するために、所定の周波数の正弦波の送信信号を、送受切替部3を介して送受波器2に所定時間出力する。また、送信ビーム制御部4は、チャネルごとに送信信号の位相制御も行う。このように、送信ビーム制御部4が、送信信号の出力を通じて送受波器2の各超音波振動子を駆動させる。これにより、図2に示すような傘状(放射状)の送信ビームB1が、送受波器2から水中に送信される。
The transmission
また、送信ビーム制御部4は、所望のステアリング方向D2よりも上方を向く送信方向D1に向かう送信ビームB1を、送受波器2に送信させる。送信方向D1は、水平方向に対して、下向きの方向である。このように、送信ビーム制御部4は、受信ビーム形成部7における受信ビームB2の受信方向(ステアリング方向D2)よりも上方の方向に向かう送信ビームB1を、送受波器2に送信させる。
In addition, the transmission
すなわち、送信ビーム制御部4は、送信ビームB1の俯角θ1が、受信ビームB2(ステアリング方向D2)の俯角θ2よりも小さくなるように、俯角θ1を設定する。送信ビーム制御部4は、この俯角θ1を有する送信ビームB1を、送受波器2に送信させる。このように、俯角θ2のステアリング方向D2に対する探知において、送信ビームB1の俯角θ1が、受信ビームB2の俯角θ2よりも小さく設定される。尚、俯角θ1,θ2は、水平(水面)方向に対する角度であり、チルト角ともいう。
That is, the transmission
ここで、送信ビーム制御部4は、受信ビームB2のサイドローブを低減させるように俯角θ1,θ2を調整して送受波器2に送信ビームB1を送信させることが好ましい。送信ビーム制御部4は、送受波器2の各超音波振動子が送信するパルスの振幅及び位相を制御することによって、送信ビームの送信方向D1を制御することができる。また、図3(a)は、側面視における、ある一方位の送受信ビームB1,B2を示しているけれども、実際には図2に示すように、平面視で自船50の周囲の全方位に、送受信ビームB1,B2が形成される。
Here, the transmission
図3(b)及び図3(c)は、それぞれ、送信ビームB1の俯角θ1と、受信ビームB2の俯角θ2との関係を説明するための、側面図である。図1、図3(b)及び図3(c)を参照して、ステアリング方向D2が第1の俯角θ21にあるときの、送信ビームB1の俯角θ11と第1の俯角θ21との角度差は、角度差(θ21−θ11)である。また、ステアリング方向D2が第1の俯角θ21よりも小さい第2の俯角θ22にあるときの、送信ビームB1の俯角θ12と第2の俯角θ22との角度差は、角度差(θ22−θ12)である。本実施形態では、角度差(θ21−θ11)は、角度差(θ22−θ12)よりも小さい{角度差(θ21−θ11)<角度差(θ22−θ12)}。 FIGS. 3 (b) and. 3 (c), respectively, the depression angle theta 1 of the transmit beam B1, for explaining the relationship between the depression angle theta 2 of the receive beam B2, is a side view. 1, with reference to FIG. 3 (b) and FIG. 3 (c), the when the steering direction D2 is in the first depression angle theta 21, the depression angle theta 11 transmit beam B1 of the first depression angle theta 21 The angle difference is an angle difference (θ 21 −θ 11 ). Also, when the steering direction D2 is in the first second depression angle theta 22 smaller than the depression angle theta 21, the angular difference between the depression angle theta 12 transmit beam B1 and the second depression angle theta 22, the angle difference (theta 22 −θ 12 ). In the present embodiment, the angle difference (θ 21 −θ 11 ) is smaller than the angle difference (θ 22 −θ 12 ) {angle difference (θ 21 −θ 11 ) <angle difference (θ 22 −θ 12 )}.
再び図1〜図3(a)を参照して、送受切替部3は、送信ビーム制御部4からの送信信号を送受波器2に出力するとともに、送受波器2からの受信信号を増幅部5に出力する。増幅部5は、送受波器2から送られてきた、チャネルごとの受信信号を増幅処理する。
Referring to FIGS. 1 to 3A again, the transmission / reception switching unit 3 outputs the transmission signal from the transmission
A/D変換部6は、増幅部5によって増幅されたチャネルごとの受信信号をIQ検波等によりアナログ信号から複素ディジタル信号に変換し、この複素ディジタル信号を受信ビーム形成部7に出力する。詳細には、A/D変換部6は、各チャネルの受信信号を、所定のサンプリング周期で、送信信号の周波数と同じ周波数の内部的な正弦波信号の第1位相と、この第1位相と90度だけ位相の異なる第2位相とでサンプリングする。そして、A/D変換部6は、サンプリングした信号を受信ビーム形成部7へ順次出力する。
The A /
尚、第1位相でサンプリングされた信号をI信号とし、第2位相でサンプリングされた信号をQ信号とすると、A/D変換部6の出力信号からI+jQ(jは虚数単位)で表されるIQ信号が得られる。
If the signal sampled in the first phase is I signal and the signal sampled in the second phase is Q signal, it is expressed by I + jQ (j is an imaginary unit) from the output signal of the A /
受信ビーム形成部7は、A/D変換部6から出力された複素ディジタル信号に基づき、所定の俯角θ2のステアリング方向D2に受信ビームB2を形成する。本実施形態では、受信ビーム形成部7は、適応ビームフォーミング法を用いて受信ビームB2を形成する。受信ビーム形成部7は、図1及び図4に示すように、相関行列算出部71と、角度スペクトラム計算部72と、到来方向及び強度計算部73と、を有している。
The reception
この受信ビーム形成部7及び送信ビーム制御部4は、例えば図示しないCPU(Central Processing Unit)、FPGA(Field-Programmable Gate Array)及びメモリ等のデバイスで構成される。例えば、CPUが、メモリからプログラムを読み出して実行することにより、送信ビーム制御部4と、相関行列算出部71と、角度スペクトラム計算部72と、到来方向及び強度計算部73の、各機能を実現できる。尚、以下の説明では、時刻tにおける超音波振動子の複素ディジタル信号を、まとめて入力ベクトルX(t)で表す。
The reception
相関行列算出部71は、入力ベクトルX(t)から時刻tにおける相関行列R(t)を算出する。相関行列R(t)は次の(1)式で与えられる。
R(t)=E[X(t)XH(t)] …(1)
ここで、E[・]は、期待値(アンサンブル平均)を求める操作を表し、Hは複素共役転置を表す。アンサンブル平均は、時間平均で代用される。つまり、時刻tにおける相関行列R(t)を求めるにあたり、その前後のサンプリング時刻における入力ベクトルも用いる。一様時間平均の場合、次のようになる。
The correlation
R (t) = E [X (t) X H (t)] (1)
Here, E [•] represents an operation for obtaining an expected value (ensemble average), and H represents a complex conjugate transpose. The ensemble average is substituted by the time average. That is, when obtaining the correlation matrix R (t) at time t, input vectors at sampling times before and after that are also used. In the case of uniform time averaging:
ここで、時間平均の範囲を[t−Tmin,t+Tmax]とした。
Here, the range of the time average was set to [t−T min , t + T max ].
尚、相関行列R(t)の時間平均は一様でなく、適当な重みを付けた時間平均でもよい。また時間平均は行わなくてもよい。以降の説明で、相関行列R(t)の時間平均は行わないこととする。また、特定の時刻における相関行列のみを考えることとし、相関行列と入力ベクトルの引数tを省く。 The time average of the correlation matrix R (t) is not uniform and may be a time average with an appropriate weight. In addition, time averaging may not be performed. In the following description, the time average of the correlation matrix R (t) is not performed. Also, only the correlation matrix at a specific time is considered, and the correlation matrix and the input vector argument t are omitted.
角度スペクトラム計算部72では、例えば、Capon法を用いた数値計算によって、角度スペクトラムP(θ)を得る。Capon法は、ステアリングベクトルa(θ)と、相関行列Rと、を用いて、受信ビームB2を形成し角度スペクトラムP(θ)を算出する。ステアリングベクトルa(θ)は、アレイ(複数の超音波振動子)の形状によって決まる。尚、Capon法については、公知であるため詳細な説明は省略する。
In the angle
到来方向及び強度計算部73は、角度スペクトラム計算部72で計算された角度スペクトラムP(θ)の解から、到来波の到来方向と強度とを計算する。計算例として、到来方向及び強度計算部73は、角度スペクトラムP(θ)のピーク(極大値)の位置(方位θ)から到来方向の推定を行う。また、到来方向及び強度計算部73は、この極大値から到来波の強度を計算する。到来方向及び強度計算部73は、複数の時刻の入力ベクトルからそれぞれ求まる複数の角度スペクトラムP(θ)から、水中断面を示す映像信号を生成する。
The arrival direction and
操作・表示装置8は、受信ビーム形成部7から出力された映像信号に応じた映像を表示画面に表示する。この操作・表示装置8は、入力キー等の種々の入力手段等を備えており、超音波の送受信、信号処理、又は映像表示に必要な種々の設定又は種々のパラメータ等を入力できるように構成されている。
The operation /
[ソナー装置の動作]
次に、上述したソナー装置1における処理の流れの一例について、図5を参照しつつ説明する。図5は、ソナー装置1における処理の流れの一例を説明するためのフローチャートである。尚、フローチャートを参照して説明する場合には、フローチャート以外の図も適宜参照する。
[Operation of sonar device]
Next, an example of the flow of processing in the
図5に示すように、送信ビーム制御部4から送信信号が与えられることで、送受波器2は、ステアリング方向D2の俯角θ2よりも小さい俯角θ1を有する送信方向D1に向けて、送信ビームB1を送信する(ステップS1)。詳細には、送信ビーム制御部4は、送信信号を形成して送受波器2の各超音波振動子を駆動させる。これにより、送受波器2は、ステアリング方向D2よりも上方の送信方向D1を向く送信ビームB1を、送信ビーム制御部4に送信させる。
As shown in FIG. 5, when given the transmission signal from the transmission
送受波器2は、送信ビームB1を送信した後、送信ビームB1がターゲットF1,F2,F3又は海底SB等によって反射することで生じたエコー信号(反射波)を、受信する(ステップS2)。
After transmitting the transmission beam B1, the transmitter /
次に、ソナー装置1は、受信したエコー信号を基に、受信ビーム生成前処理を実行する(ステップS3)。具体的には、まず、送受波器2は、受信したエコー信号を電気信号に変換することで、受信信号を生成する。次に、増幅部5は、受信信号に対して増幅処理を実行する。そして、A/D変換部6は、受信信号をIQ検波等によりアナログ信号から複素ディジタル信号に変換し、この複素ディジタル信号を受信ビーム形成部7に出力する。
Next, the
続いて、受信ビーム形成部7は、A/D変換部6から出力された複素ディジタル信号に基づき、走査角度ごとに受信ビームB2を形成し、角度スペクトラムP(θ)を算出する(ステップS4)。より具体的には、受信ビーム形成部7の相関行列算出部71は、受信信号をデジタル化して得られた入力ベクトルXを取得する。次に、相関行列算出部71は、入力ベクトルXから相関行列Rを算出する。続いて、角度スペクトラム計算部72は、Capon法を用いて、走査角度ごとに受信ビームB2を形成し、角度スペクトラムP(θ)を算出する。
Subsequently, the reception
次に、受信ビーム形成部7は、到来方向の推定及び到来波の強度の計算を行う(ステップS5)。具体的には、到来方向及び強度計算部73が、角度スペクトラムP(θ)のピーク(極大値)の位置(方位θ)から到来方向を推定する。また、到来方向及び強度計算部73は、この極大値から到来波の強度を算出する。そして、到来方向及び強度計算部73は、各入力ベクトルXについて、必要な範囲で走査を行い、求められた角度スペクトラムP(θ)から映像信号を生成する。
Next, the reception
そして、操作・表示装置8は、受信ビーム形成部7から出力された映像信号に基づき、PPI画像を表示画面に表示する(ステップS6)。
Then, the operation /
[プログラム]
本実施形態に係るプログラムは、コンピュータに、信号処理装置10の処理を実行させるプログラムであればよい。このプログラムをコンピュータにインストールし、実行することによって、本実施形態における信号処理装置10と、信号処理方法と、を実現することができる。この場合、コンピュータのCPU(Central Processing Unit)は、送信ビーム制御部4、及び受信ビーム形成部7として機能し、処理を行う。なお、信号処理装置10は、このようにソフトウェアとハードウェアとの協働によって実現されてもよいし、ハードウェアによって実現されてもよい。また、本実施形態に係るプログラムは、DVD(Digital Versatile Disc)等の記録媒体に記録された状態で流通されてもよいし、有線又は無線を用いた通信回線によって流通されてもよい。
[program]
The program according to the present embodiment may be a program that causes a computer to execute the processing of the
以上説明した本実施形態に係るソナー装置1では、俯角θ2のステアリング方向D2に対する探知において、送信ビームB1の俯角θ1は、受信ビームB2の俯角θ2よりも小さい。これにより、ソナー装置1は、海底SB付近のターゲットを、より正確に識別できる。以下、シミュレーションを用いて、この効果について、より詳細に説明する。
In
[シミュレーション]
シミュレーション条件として、軸方向に12素子、円周方向に20素子の計240素子の超音波振動子を表面に有する、円筒形の送受波器を使用した。受信ビーム(ステアリング方向)の俯角θ2は15度、水深は10m、海底は平坦であるとした。また、送受波器を中心とする俯角が15度の方向に沿って、送受波器から20m、25m、28mの各位置に、−40dBの強度のターゲット(魚)が配置されているとした。
[simulation]
As a simulation condition, a cylindrical transducer having a total of 240 ultrasonic transducers with 12 elements in the axial direction and 20 elements in the circumferential direction on the surface was used. The depression angle θ 2 of the reception beam (steering direction) is 15 degrees, the water depth is 10 m, and the sea floor is flat. Further, it is assumed that a target (fish) having an intensity of −40 dB is disposed at each position of 20 m, 25 m, and 28 m from the transducer along a direction where the depression angle with respect to the transducer is 15 degrees.
上記のシミュレーション条件下で、実施例1として、ステアリング方向D2の俯角θ2よりも5度上方の俯角θ1を有する送信方向D1に送信ビームB1を送信する構成を、計算機によって形成した。実施例1で得られたPPI画像を、図6に示す。図7は、実施例1及び後述する比較例における送信ビームB1の送波指向性を示すグラフである。 In the simulation under the above conditions, as in Example 1, a configuration for transmitting the transmission beam B1 to the transmission direction D1 with depression angle theta 1 of 5 degrees above the depression angle theta 2 of the steering direction D2, it is formed by the computer. The PPI image obtained in Example 1 is shown in FIG. FIG. 7 is a graph showing the transmission directivity of the transmission beam B1 in Example 1 and a comparative example described later.
また、実施例2として、ステアリング方向D2よりも10度上方の送信方向D1に送信ビームB1を送信する構成を、計算機によって形成した。実施例2で得られたPPI画像を、図8に示す。図9は、実施例2及び後述する比較例における送信ビームB1の送波指向性を示すグラフである。比較例として、ステアリング方向D2と同じ方向に送信ビームを送信する構成を、計算機によって形成した。比較例で得られたPPI画像を、図10に示す。図11は、比較例における送信ビームの送波指向性を示すグラフである。図11に示す比較例の送波指向性は、図7及び図9において示されている比較例の送波指向性と同一である。 In the second embodiment, the computer is configured to transmit the transmission beam B1 in the transmission direction D1 that is 10 degrees above the steering direction D2. The PPI image obtained in Example 2 is shown in FIG. FIG. 9 is a graph showing the transmission directivity of the transmission beam B1 in Example 2 and a comparative example described later. As a comparative example, a configuration for transmitting a transmission beam in the same direction as the steering direction D2 was formed by a computer. FIG. 10 shows the PPI image obtained in the comparative example. FIG. 11 is a graph showing the transmission directivity of the transmission beam in the comparative example. The transmission directivity of the comparative example shown in FIG. 11 is the same as the transmission directivity of the comparative example shown in FIGS.
図6〜図11を参照して、実施例1、実施例2、及び比較例の結果から分かるように、送信ビームB1の俯角θ1を、ステアリング方向D2の俯角θ2よりも小さくすることで、海底からのエコー信号の影響を低減できる。即ち、実施例1では、PPI画像において、各位置のターゲットのエコー像FE11,FE21,FE31は、何れも、海底のエコー像SBE1と明確に区別されている。同様に、実施例2では、PPI画像において、各位置のターゲットのエコー像FE12,FE22,FE32は、何れも、海底のエコー像SBE2と明確に区別されている。一方、比較例では、PPI画像において、3つのターゲットのうち、海底から最も遠くに配置されたターゲットのエコー像FE13は、海底のエコー像SBE3と明確に識別されている。しかしながら、残りの2つのターゲットのエコー像は、エコー像SBE3にマスクされてしまい、当該エコー像SBE3と区別することができない。 As can be seen from the results of Example 1, Example 2, and Comparative Example with reference to FIGS. 6 to 11, by making the depression angle θ 1 of the transmission beam B 1 smaller than the depression angle θ 2 in the steering direction D 2. The effect of echo signals from the sea floor can be reduced. That is, in the first embodiment, in the PPI image, the target echo images FE11, FE21, and FE31 at each position are all clearly distinguished from the sea bottom echo image SBE1. Similarly, in Example 2, in the PPI image, the target echo images FE12, FE22, and FE32 at each position are all clearly distinguished from the sea bottom echo image SBE2. On the other hand, in the comparative example, in the PPI image, the echo image FE13 of the target arranged farthest from the sea bottom among the three targets is clearly identified as the sea bottom echo image SBE3. However, the remaining two target echo images are masked by the echo image SBE3 and cannot be distinguished from the echo image SBE3.
尚、図6(実施例1の結果)と図8(実施例2の結果)とを比べると分かるように、送信ビームB1のシフト量(θ2−θ1)、即ち、送信方向D1の俯角θ1とステアリング方向D2の俯角θ2との角度差を大きくするほど、ターゲットのエコー像における、海底からのエコー信号の影響を、より低減できる。より具体的には、シフト量(θ2−θ1)の大きい実施例2では、エコー像SBE2からのエコー像FE32の距離が大きい。 As can be seen from a comparison between FIG. 6 (result of the first embodiment) and FIG. 8 (result of the second embodiment), the shift amount (θ 2 −θ 1 ) of the transmission beam B1, that is, the depression angle in the transmission direction D1. the larger the angular difference between the depression angle theta 2 of the theta 1 and the steering direction D2, in the echo image of the target, the influence of the echo signal from the ocean floor, can be further reduced. More specifically, in Example 2 where the shift amount (θ 2 −θ 1 ) is large, the distance of the echo image FE32 from the echo image SBE2 is large.
尚、送信ビームB1のシフト量(θ2−θ1)を大きくしすぎると、ステアリング方向D2におけるSL(source level)が低下してしまい、ターゲットのエコー信号の感度が落ちてしまう。このため、送信ビームB1のシフト量(θ2−θ1)は、ユーザが任意に調整できるパラメータとしてもよい。この場合、送信ビームB1をシフトさせることによって低下したターゲットのエコー信号の感度を、ルックアップテーブル等によって自動的に補正するようなアルゴリズムが、ソナー装置1に組み込まれていてもよい。
If the shift amount (θ 2 −θ 1 ) of the transmission beam B1 is too large, SL (source level) in the steering direction D2 is lowered, and the sensitivity of the target echo signal is lowered. For this reason, the shift amount (θ 2 −θ 1 ) of the transmission beam B1 may be a parameter that can be arbitrarily adjusted by the user. In this case, the
以上より、ソナー装置1によると、ターゲットについて、より明確な識別が可能となっている。ターゲットのより明確な識別が可能である理由を、以下に更に詳細に説明する。
As described above, according to the
図12は、ソナー装置1における受信ビームB2と送信ビームB1との関係を示すグラフである。図12において、グラフG1は、送信ビームB1の特性を示している。また、グラフG2は、受信特性(受信ビームB2の特性)を示している。また、グラフG3は、ターゲットからの受信強度を示している。また、グラフG4は、海底SBからの信号強度(ノイズ強度)を示している。
FIG. 12 is a graph showing the relationship between the reception beam B2 and the transmission beam B1 in the
図12に示すように、ソナー装置1は、送信ビームB1の俯角θ1を、ステアリング方向D2の俯角θ2よりも小さくすることで、ノイズ(海底SBからのエコー信号)の受信感度を下げつつ、ステアリング方向D2に存在するターゲットからのエコー信号のエコー強度を、より正確に計測できる。このように、ステアリング方向D2は、ターゲットの存在する方向のままにし、送信方向D1をステアリング方向D2と異ならせることで、ターゲットからの信号強度が高い状態で、このエコー信号の検出が可能である。この場合、海底SBからのエコー信号は、送信ビームB1に関するゼロ点に位置する。よって、海底からのエコー信号がターゲットのエコー信号をマスクすることを、より一層抑制できる。
As shown in FIG. 12, the
また、ソナー装置1によると、受信ビーム形成部7は、相関行列Rと、ステアリングベクトルa(θ)とを用いて、受信ビームB2を形成する。一例として、受信ビーム形成部7は、適応ビームフォーミング法を用いて、受信ビームB2を生成する。このような構成であれば、受信ビームB2のビーム幅、即ち分解能を、より狭くすることができる。その結果、受信ビーム形成部7は、複数のターゲットF1,F2,F3を、より明確に識別できる。仮に、単に送受信ビームB1,B2の俯角θ1,θ2を互いに同量だけ小さくした場合、海底SBからのエコー信号の受信感度低下とともに、ターゲットF1,F2,F3からのエコー信号の受信感度も低下する。特に、適応ビームフォーミング法によって受信ビームB2が形成されている場合、この受信感度の低下量が大きいので、ターゲットF1,F2,F3の検出が、困難となる。しかしながら、前述したように、受信ビームB2の俯角θ2は変化させず、送信ビームB1の俯角θ1を、俯角θ2より小さくなるようにシフトさせている。これにより、適応ビームフォーミング法で受信ビームB2が形成されている場合でも、上述の受信感度の低下を極めて小さくできる。その結果、ソナー装置1は、ターゲットF1,F2,F3を、より明確に識別できる。
Further, according to the
また、ソナー装置1によると、受信ビーム形成部7は、受信ビームB2のサイドローブを低減させるような方向に、送信ビームB1を送信させる。これにより、海底SBからのエコー信号は、受信ビーム形成部7で受信され難くなる。よって、海底SBからのエコー信号がターゲットF1,F2,F3のエコー信号をマスクすることを、より確実に抑制できる。
Further, according to the
また、ソナー装置1によると、送信ビームB1の俯角θ1と受信ビームB2の俯角θ2との関係について、角度差(θ21−θ11)は、角度差(θ22−θ12)よりも小さい{角度差(θ21−θ11)<角度差(θ22−θ12)}。このような構成により、ソナー装置1は、俯角θに拘わらず、ターゲットF1,F2,F3を識別する精度の低下を、抑制できる。
Further, according to the
また、ソナー装置1によると、送受波器2において、水中に超音波を送信する複数の超音波振動子と、ターゲットからの受信信号を受信する複数の超音波振動子とは、共通している。このような構成により、超音波の発信位置と、受信信号の受信位置とを一致させることができる。その結果、ソナー装置1は、ターゲットを、より正確に探知できる。
Further, according to the
以上、本発明の実施形態について説明したけれども、本発明はこれらに限定されず、本発明の趣旨を逸脱しない限りにおいて種々の変更が可能である。 As mentioned above, although embodiment of this invention was described, this invention is not limited to these, A various change is possible unless it deviates from the meaning of this invention.
(1)例えば、上記実施形態において、受信ビーム形成部7は、MUSIC法、ESPRIT法、又はProny法等の他の超解像法を用いて、受信ビームを形成してもよい。
(1) For example, in the above-described embodiment, the reception
(2)また、上記実施形態では、超解像法を用いて受信ビームを形成する形態を例に説明している。しかしながら、この通りでなくてもよい。例えば、ソナー装置の受信ビーム形成部は、マルチビーム法(ビームフォーマ法)を用いて受信ビームを形成してもよい。マルチビーム法の場合、ディジタル化された受信信号に対して、遅延処理を行うことで、各受信信号の位相を整相する。また、整相された各受信信号に対して、ガウス関数又はハニング窓等によって決定されるウェイト値が乗算される。そして、これらの受信信号が合成されることによって、方位毎に指向性の強い受信信号(受信ビーム)が、生成される。 (2) In the above embodiment, an example in which a reception beam is formed using the super-resolution method is described. However, this need not be the case. For example, the reception beam forming unit of the sonar device may form a reception beam using a multi-beam method (beam former method). In the case of the multi-beam method, the phase of each received signal is phased by performing a delay process on the digitized received signal. Each phased received signal is multiplied by a weight value determined by a Gaussian function or a Hanning window. Then, by combining these reception signals, a reception signal (reception beam) having strong directivity for each direction is generated.
この場合の受信ビームと送信ビームとの関係を、図13に示す。図13には、送信ビームの方向を受信ビームの方向に対して上方にシフトした場合の、送受信を含めた合成ビームBM1が、実線で示されている。合成ビームBM1は、ビーム幅W1を有している。また、図13には、送信ビームの方向と受信ビームの方向とが同じである場合の、送受信を含めた合成ビームBM2が、破線で示されている。合成ビームBM2は、ビーム幅W2を有している。ビーム幅W1は、ビーム幅W2よりも狭いので、方位分解能が高いことが分かる。尚、角度φ=(90−θ)である。このように、送信ビームB1の俯角θ1を受信ビームB2の俯角θ2よりも小さくすることで、マルチビーム法を用いたソナー装置は、ターゲットを、より明確に識別できる。
FIG. 13 shows the relationship between the reception beam and the transmission beam in this case. In FIG. 13, the combined beam BM1 including transmission and reception when the direction of the transmission beam is shifted upward with respect to the direction of the reception beam is indicated by a solid line. The combined beam BM1 has a beam width W1. In FIG. 13, the combined beam BM2 including transmission and reception when the direction of the transmission beam and the direction of the reception beam are the same is indicated by a broken line. The combined beam BM2 has a beam width W2. Since the beam width W1 is narrower than the beam width W2, it can be seen that the azimuth resolution is high. The angle φ = (90−θ). In this way, by making the depression angle θ 1 of the transmission beam B 1 smaller than the depression angle θ 2 of the
図14は、図13の各ビームのうちの、合成ビームBM1,BM2を抜き出した図である。図14に示すように、合成ビームBM1は、合成ビームBM2に比べて、サイドローブの極大レベルが低くなっている。このように、合成ビームBM1のサイドローブを低減することができる。尚、送受波器2がリニアアレイを用いて構成されている場合、送信ビームB1の俯角θ1と受信ビームB2の俯角θ2との角度差であるシフト量(θ2−θ1)を、合成ビームBM2の第1零点と第2零点との角度幅の半値程度に設定することが好ましい。これにより、ソナー装置は、ステアリング方向の感度を大きく落とすことなく、サイドローブの極大レベルを効果的に低減できる。即ち、サイドローブキャンセラとしての機能を発揮することが可能である。
FIG. 14 is a diagram in which the combined beams BM1 and BM2 are extracted from the beams shown in FIG. As shown in FIG. 14, the combined beam BM1 has a lower sidelobe maximum level than the combined beam BM2. Thus, the side lobe of the combined beam BM1 can be reduced. When the transmitter /
(3)また、上記実施形態において、送信方向とステアリング方向との差であるシフト量(θ2−θ1)は、固定値であってもよいし、調整可能な値であってもよい。海底の底質が固いほど、海底からのエコー信号の信号強度は高くなるため、例えば、海底からのエコー信号の信号強度を自動的に計測し、この信号強度に合わせて送信ビームのシフト量を調整してもよい。より具体的には、海底からのエコー信号の信号強度が大きいほど、送信ビームのシフト量を大きくしてもよい。その他にも、ステアリング方向が水平方向に近いほど、送信ビームのシフト量を大きくすることもできる。 (3) In the above embodiment, the shift amount (θ 2 −θ 1 ), which is the difference between the transmission direction and the steering direction, may be a fixed value or an adjustable value. The harder the seabed, the higher the signal strength of the echo signal from the seabed.For example, the signal strength of the echo signal from the seabed is automatically measured, and the shift amount of the transmission beam is adjusted according to this signal strength. You may adjust. More specifically, the shift amount of the transmission beam may be increased as the signal strength of the echo signal from the seabed is increased. In addition, the shift amount of the transmission beam can be increased as the steering direction is closer to the horizontal direction.
(4)また、送信ビームの俯角は、受信ビームの俯角よりも小さければよく、受信ビームの俯角は、上述の実施形態の例に限定されない。 (4) Further, the depression angle of the transmission beam only needs to be smaller than the depression angle of the reception beam, and the depression angle of the reception beam is not limited to the example of the above-described embodiment.
(5)また、上記実施形態では、送受波器が、円筒状である形態を例に説明した。しかしながら、この通りでなくてもよい。送受波器は、例えば、平面アレイを用いて形成されていてもよい。 (5) Moreover, in the said embodiment, the wave transmitter / receiver demonstrated to the example the form which is cylindrical shape. However, this need not be the case. The transducer may be formed using, for example, a planar array.
(6)また、上記実施形態では、水中探知装置として、ソナー装置を例に説明した。しかしながら、この通りでなくてもよい。例えば、本発明は、魚群探知機等の他の水中探知装置に適用されてもよい。 (6) Moreover, in the said embodiment, the sonar apparatus was demonstrated to the example as an underwater detection apparatus. However, this need not be the case. For example, the present invention may be applied to other underwater detection devices such as a fish finder.
1 ソナー装置(水中探知装置)
4 送信ビーム制御部
7 受信ビーム形成部
10 信号処理装置
B1 送信ビーム
B2 受信ビーム
D2 ステアリング方向
F1,F2,F3 ターゲット
θ1,θ2 俯角
1 Sonar device (underwater detection device)
4 Transmit
Claims (12)
前記送信ビームを所定の俯角である所定の送信俯角に設定する送信ビーム制御部と、
前記受信信号に基づいて、所定の俯角である所定の受信俯角に受信ビームを形成する受信ビーム形成部と、を備え、
前記所定の受信俯角に対する探知において前記送信俯角が前記受信俯角よりも小さく設定され、
前記受信俯角が第1の俯角にあるときの前記送信俯角と前記第1の俯角との角度差は、前記受信俯角が前記第1の俯角よりも小さい第2の俯角にあるときの前記送信俯角と前記第2の俯角との角度差よりも小さいことを特徴とする、信号処理装置。 A signal processing device used for an underwater detection device that transmits a transmission beam by ultrasonic waves in a plurality of ultrasonic transducers, receives reception signals from a target by a plurality of ultrasonic transducers, and detects the target. ,
A transmission beam control unit that sets the transmission beam to a predetermined transmission depression angle that is a predetermined depression angle ;
A reception beam forming unit that forms a reception beam at a predetermined reception depression angle that is a predetermined depression angle based on the reception signal;
The predetermined said feed Shin俯 angle in detection for the received depression angle is set rather smaller than the receiving Shin俯 angle,
The difference between the transmission depression angle when the reception depression angle is at the first depression angle and the first depression angle is the transmission depression angle when the reception depression angle is at a second depression angle smaller than the first depression angle. and wherein the smaller Ikoto than the angle difference between the second depression angle and the signal processing unit.
前記受信ビーム形成部は、前記受信信号の相関行列と、前記超音波振動子に関するステアリングベクトルとを用いて、前記受信ビームを形成することを特徴とする、信号処理装置。 The signal processing device according to claim 1,
The signal processing apparatus, wherein the reception beam forming unit forms the reception beam using a correlation matrix of the reception signal and a steering vector related to the ultrasonic transducer.
前記受信ビーム形成部は、適応ビームフォーミング法を用いて、前記受信ビームを形成することを特徴とする、信号処理装置。 The signal processing device according to claim 1 or 2,
The signal processing apparatus, wherein the reception beam forming unit forms the reception beam using an adaptive beam forming method.
前記受信ビーム形成部は、複数の前記超音波振動子からの前記受信信号を遅延させ、遅延させた各前記受信信号を合成することによって、前記受信ビームを形成することを特徴とする、信号処理装置。 The signal processing device according to claim 1,
The reception beam forming unit forms the reception beam by delaying the reception signals from a plurality of the ultrasonic transducers and synthesizing the delayed reception signals. apparatus.
前記受信ビーム形成部は、ビームフォーマ法を用いて、前記受信ビームを形成することを特徴とする、信号処理装置。 The signal processing device according to claim 1 or 4, wherein
The signal processing apparatus, wherein the reception beam forming unit forms the reception beam using a beam former method.
請求項1乃至請求項5の何れか1項に記載の信号処理装置と、
水中に超音波を送信する前記複数の超音波振動子と、
ターゲットからの前記受信信号を受信する前記複数の超音波振動子と、を備えていることを特徴とする、水中探知装置。 An underwater detection device for detecting an underwater target,
A signal processing device according to any one of claims 1 to 5 ,
A plurality of ultrasonic transducers for transmitting ultrasonic waves in water;
An underwater detection device comprising: the plurality of ultrasonic transducers that receive the reception signals from a target.
水中に超音波を送信する前記複数の超音波振動子と前記受信信号を受信する前記複数の超音波振動子が共通していることを特徴とする、水中探知装置。 The underwater detection device according to claim 6 ,
The underwater detection device, wherein the plurality of ultrasonic transducers that transmit ultrasonic waves in water and the plurality of ultrasonic transducers that receive the reception signal are common.
前記送信ビームを所定の俯角である所定の送信俯角に設定する送信ビーム制御部と、 A transmission beam control unit that sets the transmission beam to a predetermined transmission depression angle that is a predetermined depression angle;
前記受信信号に基づいて、所定の俯角である所定の受信俯角に受信ビームを形成する受信ビーム形成部と、を備え、 A reception beam forming unit that forms a reception beam at a predetermined reception depression angle that is a predetermined depression angle based on the reception signal;
前記所定の受信俯角に対する探知において前記送信俯角が前記受信俯角よりも小さく設定され、 In the detection for the predetermined reception depression angle, the transmission depression angle is set smaller than the reception depression angle,
前記受信俯角が所定の第1の俯角にあるときの海底からのエコー信号の信号強度を第1海底信号強度としたときの前記送信俯角と前記第1の俯角との角度差は、前記海底からのエコー信号の信号強度が第1海底信号強度よりも小さい第2海底信号強度のときの前記送信俯角と前記第1の俯角との角度差よりも大きいことを特徴とする、信号装置処理。 The difference in angle between the transmission depression angle and the first depression angle when the signal intensity of the echo signal from the seabed when the reception depression angle is a predetermined first depression angle is the first ocean floor signal intensity is from the seabed. The signal device processing characterized in that the signal strength of the echo signal is larger than the angle difference between the transmission depression angle and the first depression angle when the second ocean floor signal strength is smaller than the first ocean floor signal strength.
前記送信ビームを所定の俯角である所定の送信俯角に設定する送信ビーム制御ステップと、
前記受信信号に基づいて、所定の俯角である所定の受信俯角に受信ビームを形成する受信ビーム形成ステップと、を含み、
前記所定の受信俯角に対する探知において前記送信俯角が前記受信俯角よりも小さく設定され、
前記受信俯角が第1の俯角にあるときの前記送信俯角と前記第1の俯角との角度差は、前記受信俯角が前記第1の俯角よりも小さい第2の俯角にあるときの前記送信俯角と前記第2の俯角との角度差よりも小さいことを特徴とする、信号処理方法。 A signal processing method in an underwater detection device that transmits a transmission beam by ultrasonic waves in a plurality of ultrasonic transducers, receives a reception signal from a target by a plurality of ultrasonic transducers, and detects the target,
A transmission beam control step of setting the transmission beam to a predetermined transmission depression angle that is a predetermined depression angle ;
A receiving beam forming step of forming a receiving beam at a predetermined reception depression angle that is a predetermined depression angle based on the reception signal,
The predetermined said feed Shin俯 angle in detection for the received depression angle is set rather smaller than the receiving Shin俯 angle,
The difference between the transmission depression angle when the reception depression angle is at the first depression angle and the first depression angle is the transmission depression angle when the reception depression angle is at a second depression angle smaller than the first depression angle. and wherein the smaller Ikoto than the angle difference between the second depression angle and the signal processing method.
前記送信ビームを所定の俯角である所定の送信俯角に設定する送信ビーム制御ステップと、 A transmission beam control step of setting the transmission beam to a predetermined transmission depression angle that is a predetermined depression angle;
前記受信信号に基づいて、所定の俯角である所定の受信俯角に受信ビームを形成する受信ビーム形成ステップと、を含み、 A receiving beam forming step of forming a receiving beam at a predetermined reception depression angle that is a predetermined depression angle based on the reception signal,
前記所定の受信俯角に対する探知において前記送信俯角が前記受信俯角よりも小さく設定され、 In the detection for the predetermined reception depression angle, the transmission depression angle is set smaller than the reception depression angle,
前記受信俯角が所定の第1の俯角にあるときの海底からのエコー信号の信号強度を第1海底信号強度としたときの前記送信俯角と前記第1の俯角との角度差は、前記海底からのエコー信号の信号強度が第1海底信号強度よりも小さい第2海底信号強度のときの前記送信俯角と前記第1の俯角との角度差よりも大きいことを特徴とする、信号装置方法。 The difference in angle between the transmission depression angle and the first depression angle when the signal intensity of the echo signal from the seabed when the reception depression angle is a predetermined first depression angle is the first ocean floor signal intensity is from the seabed. The signal device method is characterized in that the signal strength of the echo signal is larger than the angle difference between the transmission depression angle and the first depression angle when the second ocean floor signal strength is smaller than the first ocean floor signal strength.
コンピュータに、
前記送信ビームを所定の俯角である所定の送信俯角に設定する送信ビーム制御ステップと、
前記受信信号に基づいて、所定の俯角である所定の受信俯角に受信ビームを形成する受信ビーム形成ステップと、を実行させ、
前記所定の受信俯角に対する探知において前記送信俯角が前記受信俯角よりも小さく設定され、
前記受信俯角が第1の俯角にあるときの前記送信俯角と前記第1の俯角との角度差は、前記受信俯角が前記第1の俯角よりも小さい第2の俯角にあるときの前記送信俯角と前記第2の俯角との角度差よりも小さいことを特徴とする、プログラム。 A program for an underwater detection device that detects a target by transmitting a transmission beam of ultrasonic waves in water by a plurality of ultrasonic transducers, receiving a reception signal from a target by a plurality of ultrasonic transducers,
On the computer,
A transmission beam control step of setting the transmission beam to a predetermined transmission depression angle that is a predetermined depression angle ;
A reception beam forming step of forming a reception beam at a predetermined reception depression angle that is a predetermined depression angle based on the reception signal;
The predetermined said feed Shin俯 angle in detection for the received depression angle is set rather smaller than the receiving Shin俯 angle,
The difference between the transmission depression angle when the reception depression angle is at the first depression angle and the first depression angle is the transmission depression angle when the reception depression angle is at a second depression angle smaller than the first depression angle. and wherein the smaller Ikoto than the angle difference between the second depression angle with the program.
コンピュータに、 On the computer,
前記送信ビームを所定の俯角である所定の送信俯角に設定する送信ビーム制御ステップと、 A transmission beam control step of setting the transmission beam to a predetermined transmission depression angle that is a predetermined depression angle;
前記受信信号に基づいて、所定の俯角である所定の受信俯角に受信ビームを形成する受信ビーム形成ステップと、を実行させ、 A reception beam forming step of forming a reception beam at a predetermined reception depression angle that is a predetermined depression angle based on the reception signal;
前記所定の受信俯角に対する探知において前記送信俯角が前記受信俯角よりも小さく設定され、 In the detection for the predetermined reception depression angle, the transmission depression angle is set smaller than the reception depression angle,
前記受信俯角が所定の第1の俯角にあるときの海底からのエコー信号の信号強度を第1海底信号強度としたときの前記送信俯角と前記第1の俯角との角度差は、前記海底からのエコー信号の信号強度が第1海底信号強度よりも小さい第2海底信号強度のときの前記送信俯角と前記第1の俯角との角度差よりも大きいことを特徴とする、プログラム。 The difference in angle between the transmission depression angle and the first depression angle when the signal intensity of the echo signal from the seabed when the reception depression angle is a predetermined first depression angle is the first ocean floor signal intensity is from the seabed. A program characterized in that the echo signal has a signal strength greater than an angle difference between the transmission depression angle and the first depression angle when the second ocean floor signal strength is smaller than the first ocean floor signal strength.
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