JPH0679065B2 - 海底探索装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 （ａ）産業上の利用分野 この発明は、超音波の送受波により海底の三次元地形情
報を求める海底探索装置に関する。

（ｂ）従来の技術 従来より海底地形や海底構造物を観測する海底探索装置
が、海底地形の精密調査、沈没船の探索と形状確認、海
洋工事調査、浚渫（しゅんせつ）工事調査、海溝調査お
よび各種構造物の確認調査などに利用されている。

この種の海底探索装置は扇状超音波ビームの送波ビーム
と受波ビームとがクロスしたいわゆるクロスファンビー
ム方式が採用されている。超音波を送波する送波器と受
波する受波器との装備例およびクロスファンビームによ
る探知状態を第12図および第13図に示す。第12図に示し
た送波器と受波器はいずれも多素子構造であり、送波器
は第13図に示すように自船左右方向に所定角度（例えば
120度）幅で扇状の送波ビームを送波する。受波器は自
船の前後方向に広がる扇状受波ビームを構成し、２つの
扇状ビームがクロスしている部分（第13図中斜線部分）
のエコーが受信される。受波ビームを左右方向にスキャ
ンニングすることによって送波ビームの全角度（120
度）範囲の海底地形の輪郭（海底コンタ）が得られる。
より具体的には、海底エコーが増幅されディジタル信号
に変換され、信号レベル分析、入射角補正、船体動揺補
正および座標変換などの演算処理が行われて海底コンタ
データが得られる。また、自船の船速情報と針路情報と
により推測航法演算が行われ、海底コンタの検出位置
（自船の緯度経度）が得られる。すなわち、測深と測位
を同時に行うことによって海底地形の三次元情報が得ら
れる。

（ｃ）発明が解決しようとする課題 前述のようにいわゆるクロスファンビーム方式により船
を中心とする扇状先端領域の海底コンタデータを求める
際、海底直下方向からの反射波のレベルが最も強く、受
波ビームが横方向に向くほど海底での乱反射が大きくな
り、海底反射波のレベルが小さくなる。したがって、受
波ビームが横方向を向くほど他の反射信号（魚群反射波
など）とのレベル上の識別が困難になる。そこで、海底
直下方向の反射波から直下方向の海底深度を求め、各方
向の海底反射波出現時刻を予測してゲートを設定し、そ
のゲートに含まれる反射波の積分中心を海底線（コン
タ）として求めるとができる。

ところが、従来の海底探索装置においては、エコーに異
常信号が含まれ、これにより検出される海底地形に大き
な誤差が生じ、表示画面にも著しい不都合が生じる場合
があった。エコーに異常信号が含まれる主な原因は次の
通りである。

（１）受波ビームのサイドローブによる影響 扇状の受波ビームは多数の振動子アレイからなる受波器
の各振動子の出力信号を合成することにより得られ、各
出力信号を位相制御することなどによって特定方位にビ
ームの指向性が生じるが、この受波ビームにある程度の
サイドロープが伴うため、サイドローブによる海底ゴー
ストが現れる。第８図はその例を示す図であり、受波ビ
ームが同図に示す方向を指向しているとき、受波ビーム
により本来の海底エコーＡが得られるが、これとともに
サイドローブが海底直下付近からのエコーを検出して、
これがゴーストＢとして現れる。一般に海底直下方向か
らのエコーが最も強く、受波ビームが横方向を向くほど
海底からの真のエコーが弱くなるため、受波ビームが横
方向になるほど海底ゴーストが相対的に強くなる。特
に、船底の泡により受波器の一部が遮音される結果、受
波ビーム合成時に振動子アレイのウェイトが乱れ、相対
的にサイドローブが著しく大きくなる。第11図（Ａ），
（Ｂ）はその例を示す図であり、（Ａ）は受波器の各振
動子出力のウェイトと受波ビームのメインビームとサイ
ドローブとの通常のレベル差を示している。船底の泡な
どにより受波器の一部が遮音されて同図（Ｂ）に示すよ
うなウェイトになった場合、メインビームとサイドロー
ブとのレベル差が小さくなり、上述の海底ゴーストが強
く表れることになる。

第９図は上記サイドローブによる海底ゴーストの現れた
受波信号の映像などを示している。このように海底ゴー
ストが生じる場合、同図右側に示すように、受波器に対
して斜め方向から到来する反射波の反射強度の積分中心
をとれば海底ゴーストの影響により海底深度が浅くな
る。すなわち、海底ゴーストの無い場合の反射波の積分
中心はDoであるが、これより浅いところに海底ゴースト
が生じるため、全体としての積分中心がD1に示すように
移動する。

このようにして求めた海底線（コンタ）を船の移動に伴
い順次求め、これを海底地形として三次元表示すれば、
例えば第10図に示すようになる。同図においてE1,E2,E
3,E4はそれぞれ上記海底ゴーストによる見掛け上の海底
深度が浅くなって表された箇所である。なお、同図にお
いて横軸は船に対して左右方向、縦軸は深さ方向、奥行
きは船の進行方向の距離にそれぞれ対応している。

（２）ノイズによる影響 ゲート内に入ってくる船底の泡や船体振動によるノイズ
を海底と誤認する場合がある。特にシーステイト（海
況）の悪いときや、大深度で海底の反射強度そのものが
弱いときにその影響は著しくなる。

そこで従来は受波器の各振動子の出力にウェイトを持た
せてサイドローブを小さくし、また船底から送受波器に
突出させて泡による影響を少なくする対策がとられてき
たが、受波信号に含まれている異常データについては何
ら対策が行われていない。

この発明の目的は、受波信号に含まれている異常データ
を有効に除去して正確な海底地形情報を得るようにした
海底探索装置を提供することにある。

（ｄ）課題を解決するための手段 この発明の請求項１に係る海底探索装置は、船を中心と
して扇状に広がる超音波ビームを船から海底方向へ送波
する超音波ビーム送波手段と、上記超音波送波ビームの
海底からの反射波を上記超音波ビームの面方向で且つ船
を中心とする各探知方向別に受波する超音波受波手段
と、上記超音波ビームの送波から反射波の受波までの時
間により、上記各探知方向における上記超音波ビームの
反射位置までの距離を求め、該超音波ビームの反射位置
の深度データを求める海底深度測定手段とを備え、上記
超音波ビームの面に交差する方向への該超音波ビームの
移動に伴い、順次求められた複数回分の上記深度データ
を順次蓄積して複数地点における上記深度データから海
底地形情報を求める海底探索装置において、 上記蓄積した深度データのうち、同一の探知方向につい
て求めた複数回分の深度データから外挿法によりその探
知方向における次回の予測深度データを求める深度予測
手段と、 同一探知方向における、次回の実際の測定による深度デ
ータと上記予測深度データとのずれが一定の許容範囲以
内の深度データのみを上記海底地形情報として蓄積する
深度データ選択蓄積制御手段とを設けたことを特徴とす
る。

また、この発明の請求項２に係る海底探索装置は、船を
中心として扇状に広がる超音波ビームを船から海底方向
へ送波する超音波ビーム送波手段と、上記超音波送波ビ
ームの海底からの反射波を上記超音波ビームの面方向で
且つ船を中心とする各探知方向別に受波する超音波受波
手段と、上記超音波ビームの送波から反射波の受波まで
の時間により、上記各探知方向における上記超音波ビー
ムの反射位置までの距離を求め、該超音波ビームの反射
位置の深度データを求める海底深度測定手段とを備え、
上記超音波ビームの面に交差する方向への該超音波ビー
ムの移動に伴い、順次求められた複数回分の上記深度デ
ータを順次蓄積して複数地点における上記深度データか
ら海底地形情報を求める海底探索装置において、 上記蓄積した深度データのうち、同一の探知方向につい
て求めた複数回分の深度データから外挿法によりその探
知方向における次回の予測深度データを求める深度予測
手段と、 同一探知方向における、次回の実際の測定による深度デ
ータと上記予測深度データとのずれが一定の許容範囲を
超えるとき、上記予測深度データを上記海底地形情報と
して蓄積する深度データ補正蓄積制御手段とを設けたこ
とを特徴とする。

（ｅ）作用 この発明の請求項１に係る海底探索装置においては、超
音波ビーム送波手段によって、船を中心として扇状に広
がる超音波ビームが船から海底方向へ送波され、超音波
受波手段によって、上記超音波送波ビームの海底からの
反射波が上記超音波ビームの面方向で且つ船を中心とす
る各探知方向に受波される。そして海底深度測定手段に
よって、上記超音波ビームの送波から反射波の受波まで
の時間により、上記各探知方向における超音波ビームの
反射位置までの距離が求められ、超音波ビームの反射位
置の深度データが求められる。そして、超音波ビームの
面に交差する方向へ超音波ビームが移動するに伴い、順
次求められた複数回分の深度データが順次蓄積されて、
複数地点における深度データから海底地形情報が求めら
れる。その際、深度予測手段により、蓄積された深度デ
ータのうち同一の探知方向について求められた複数回分
の深度データから外挿法により、その探知方向における
次回の予測深度データが求められ、深度データ選択蓄積
制御手段によって、同一探知方向における、次回の実際
の測定による深度データと上記予測深度データとのずれ
が一定の許容範囲以内の深度データのみが海底地形情報
として蓄積される。

従って、同一探知方向における実際の測定による深度デ
ータが予測深度データに対して許容範囲を超えてずれて
いる場合には、その測定による深度データが海底地形情
報としては蓄積されず、異常な深度データが海底地形情
報に含まれることが防止される。

請求項２に係る海底探索装置においては、超音波ビーム
送波手段によって、船を中心として扇状に広がる超音波
ビームが船から海底方向へ送波され、超音波受波手段に
よって、上記超音波送波ビームの海底からの反射波が上
記超音波ビームの面方向で且つ船を中心とする各探知方
向別に受波される。そして海底深度測定手段によって、
上記超音波ビームの送波から反射波の受波までの時間に
より、上記各探知方向における超音波ビームの反射位置
までの距離が求められ、超音波ビームの反射位置の深度
データが求められる。そして、超音波ビームの面に交差
する方向へ超音波ビームが移動するに伴い、順次求めら
れた複数回分の深度データが順次蓄積されて、複数地点
における深度データから海底地形情報が求められる。そ
の際、深度予測手段により、上記蓄積された深度データ
のうち同一の探知方向について求められた複数回分の深
度データから、外挿法によりその探知方向における次回
の予測深度データが求められ、深度データ補正蓄積制御
手段によって、同一探知方向における次回の実際の測定
による深度データと上記予測深度データとのずれが一定
の許容範囲を超える時、予測深度データが海底地形情報
として蓄積される。このように、同一探知方向における
実際の測定による深度データが予測深度データに対して
許容範囲を超えてずれている場合には、測定による深度
データに代えて予測による深度データが蓄積されるた
め、異常な深度データを含まない海底地形情報が得られ
る。

（ｆ）実施例 この発明の実施例である海底探索装置の制御部のブロッ
ク図を第１図に示す。第１図において、制御回路１は超
音波の送受波制御を行う回路であり、送信制御回路２は
制御回路１から与えられるトリガ信号によってドライバ
回路３へ送信パルスを与える。ドライバ回路３は出力パ
ルスを全てのチャンネルについて出力アンプ４に与え
る。出力アンプ４は送波器５を駆動して前記扇状送波ビ
ームを出力する。プリアンプ７は受波器６の各振動子の
出力を増幅し、ビームフォーマ８はプリアンプ７の出力
信号に対して位相制御などを行って所定方向に指向する
受波ビームの受波信号を作成する。ローリング補正回路
９はビームフォーマ８に対して制御信号を与えて受波ビ
ームの指向方向を制御することによって船のローリング
による影響を除去する回路である。ピッチング補正回路
27は送信制御回路２に対して制御信号を与えて送波ビー
ムの指向方向を制御して船のピッチングによる影響を除
去する回路である。鉛直ジャイロ11は船のローリングお
よびピッチング角度を検出する装置であり、信号変換回
路10はローリング角度およびピッチング角度を所定形式
の信号に変換してローリング補正回路９およびピッチン
グ補正回路27へ与える。TVGアンプ12は受波信号に対し
て時間経過に伴い減衰する信号レベルを補正する回路で
ある。インターフェイス回路13は受波信号を映像信号と
して出力する。コンタ検出回路14は受波信号の映像信号
から反射強度の積分中心を海底深度データとして求め
る。

同図において15は演算ユニットであり、インターフェイ
ス回路16は海底深度データを受け取る。グラフィック回
路17は複数の海底深度データから海底地形の三次元グラ
フィックデータ、等深線グラフィックデータ、縦断面グ
ラフィックデータおよび横断面グラフィックデータなど
作成してRGB信号バッファ26へグラフィックデータを書
き込む。また、図中18はシステムであり、後述する異常
な海底深度データの除去や補正などを行う。映像処理回
路19は受波信号の映像信号を入力する。

インターフェイス回路20には海底地形図などを描画する
XYプロッタ21、自船の現在位置を測位する航法装置22、
自船の船速などを測定する音響航法装置23および船首方
位を測定するジャイロコンパス24などが接続されてい
る。CRT25はRGB信号バッファ26から与えられる表示信号
によって各種グラフィック表示および受波信号の映像を
表示する。

第１図に示したシステム18の処理手順を第２図に示す。
第２図においてｊは海底地形の輪郭（海底コンタ）の番
号、ｉは受波ビームの方向を表す番号であり、１〜45の
値をとる、Dijは（i,j）番目の海底深度データである。
まず、海底コンタ番号ｊに初期値０を設定し、ｉが１〜
45の全方向の深度データを取り込む（n1→n2）。続いて
過去５回分の海底コンタデータから方向番号ｉが3,8,1
3,18,23,28,33,38および43の９方向について予測深度デ
ータDij′を算出する（n3）。これは、各方向（代表す
る９つの方向）について過去５個の測定深度データより
最小二乗法によって二次曲線を求め、外挿により次回の
深度データを予測する。なお、過去５回分のデータのう
ちデータの無い箇所があれば、それを除き、少なくとも
過去３回分のデータがあれば予測する。続いて、次回の
測定深度データDijが予測深度データDij′から±Ｅ内に
存在するか否か判定する（n4）。このn3およびn4の処理
をｉが3,8,13,18,23,28,33,38および43の９つの方向に
ついてそれぞれ行い、９つの全ての方向について予測値
が±Ｅの範囲に存在するか否か判定する。何れかの方向
について実際に求められた測定深度データが予測値より
±Ｅを越えた場合、今回の海底コンタデータの全てのデ
ータを０として無効化する（n5）。以上に述べた処理を
ｊを順次インクリメントするとともに繰り返し行う（n6
→n2→・・・）。

以上に述べた海底コンタデータとその予測値との関係を
第３図および第４図に示す。第３図は複数の海底コンタ
データを三次元表示した例であり、ｊ＝５のときｊ＝０
〜４で示す過去５回分の海底コンタデータからｊ＝５の
ときの予測値を求める。第４図はｊ＝５のときの９つの
代表する方向の進路と予測値を中心として±Ｅの深度範
囲（言わばゲート）を示している。第３図に示す例のよ
うにｊ＝５のときの実際の測定値がゲート範囲外の深度
データを含む場合、ｊ＝５の全ての海底コンタデータを
除去する。

その結果、例えば第10図に示した海底地形データが得ら
れるのと同一条件で測定を行った場合、第５図に示すよ
うに、異常信号が含まれていた海底コンタが間引きされ
た形で海底地形情報が得られる。

次に他の実施例に係る処理手順およびこれによって得ら
れた海底地形データの三次元表示の例を第６図および第
７図に示す。この例は、第２図に示した処理手順と異な
り、ｉが１〜45の全ての方向について予測値Dij′を算
出し、実際の測定による深度データの何れかのデータが
予測値Dij′±Ｅの範囲内に含まれない場合、予測値Di
j′を測定値Dijとして置き換える（n14）。このことに
より、例えば第７図に示すように海底コンタに抜けのな
い海底地形情報が求められる。

（ｇ）発明の効果 この発明によれば、受波信号に含まれている異常信号が
有効に除去されるため、より正確な海底地形情報を求め
ることができる。特に、海底地形データを画像表示する
際、異常データの影響による異常な表示を無くすことが
でき、実際の海底に忠実な画像を表示することができ
る。

【図面の簡単な説明】

第１図はこの発明の実施例である海底探索装置の制御部
のブロック図である。第２図は同装置の処理手順を表す
フローチャートである。第３図および第４図はデータ処
理の方法を説明するための図である。第５図は実施例に
より得られた海底地形の三次元表示の例である。第６図
は他の実施例に係る制御部の処理手順を表すフローチャ
ートである。第７図はその処理により得られた海底地形
の三次元表示の例である。第８図〜第10図は受波ビーム
のサイドローブによる影響を説明するための図であり、
第11図は受波器のウェイトと受波ビームとの関係を示す
図である。更に、第12図は超音波送受波器の装備例を示
す図、第13図は送波ビームと受波ビームとの関係を示す
図である。

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】船を中心として扇状に広がる超音波ビーム
   を船から海底方向へ送波する超音波ビーム送波手段と、
   上記超音波送波ビームの海底からの反射波を上記超音波
   ビームの面方向で且つ船を中心とする各探知方向別に受
   波する超音波受波手段と、上記超音波ビームの送波から
   反射波の受波までの時間により、上記各探知方向におけ
   る上記超音波ビームの反射位置までの距離を求め、該超
   音波ビームの反射位置の深度データを求める海底深度測
   定手段とを備え、上記超音波ビームの面に交差する方向
   への該超音波ビームの移動に伴い、順次求められた複数
   回分の上記深度データを順次蓄積して複数地点における
   上記深度データから海底地形情報を求める海底探索装置
   において、 上記蓄積した深度データのうち、同一の探知方向につい
   て求めた複数回分の深度データから外挿法によりその探
   知方向における次回の予測深度データを求める深度予測
   手段と、 同一探知方向における、次回の実際の測定による深度デ
   ータと上記予測深度データとのずれが一定の許容範囲以
   内の深度データのみを上記海底地形情報として蓄積する
   深度データ選択蓄積制御手段とを設けたことを特徴とす
   る海底探索装置。
2. 【請求項２】船を中心として扇状に広がる超音波ビーム
   を船から海底方向へ送波する超音波ビーム送波手段と、
   上記超音波送波ビームの海底からの反射波を上記超音波
   ビームの面方向で且つ船を中心とする各探知方向別に受
   波する超音波受波手段と、上記超音波ビームの送波から
   反射波の受波までの時間により、上記各探知方向におけ
   る上記超音波ビームの反射位置までの距離を求め、該超
   音波ビームの反射位置の深度データを求める海底深度測
   定手段とを備え、上記超音波ビームの面に交差する方向
   への該超音波ビームの移動に伴い、順次求められた複数
   回分の上記深度データを順次蓄積して複数地点における
   上記深度データから海底地形情報を求める海底探索装置
   において、 上記蓄積した深度データのうち、同一の探知方向につい
   て求めた複数回分の深度データから外挿法によりその探
   知方向における次回の予測深度データを求める深度予測
   手段と、 同一探知方向における、次回の実際の測定による深度デ
   ータと上記予測深度データとのずれが一定の許容範囲を
   超えるとき、上記予測深度データを上記海底地形情報と
   して蓄積する深度データ補正蓄積制御手段とを設けたこ
   とを特徴とする海底探索装置。