JP4936655B2 - Scanning sonar - Google Patents
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Description
本発明は、スキャニングソナー、特に受信ビームの制御に特徴を有するスキャニングソナーに関する。 The present invention relates to a scanning sonar, and more particularly to a scanning sonar characterized by control of a received beam.
広範囲の魚群の大きさおよび位置を探知できることから、スキャニングソナーは漁撈において広く用いられている。図11は、スキャニングソナーで船舶の周囲の探知を行う例を示す図である。Tは、船舶の底部に取り付けられた円筒形の送受波器であり、円筒の周方向および上下方向に沿って多数の振動子が取り付けられている。TBは傘形の送信ビーム、RBはペンシル形の受信ビームである。受信ビームRBは、例えば、方位方向に64本の分解能で形成される。そして、送受波器Tの振動子から一斉に全方位に向けて送信ビームTBを放射し、各方位の受信ビームRBによって受信される魚群などからのエコー信号をスキャニングソナーで解析することによって探知画像データを求める。一方、距離方向については、時間軸上のサンプリング周期に応じた分解能で送信ビームTB内の各領域Pの探知画像データが順次生成される。また、送信ビームTBの俯角αを変えることによって、探知範囲を変更することもできる。上記の送信ビームTBおよび受信ビームRBの形成方法などについては、後記の特許文献4に示されている。
Scanning sonar is widely used in fishing rods because it can detect the size and location of a wide range of fish schools. FIG. 11 is a diagram illustrating an example in which the surroundings of a ship are detected by scanning sonar. T is a cylindrical transducer attached to the bottom of the ship, and a large number of transducers are attached along the circumferential and vertical directions of the cylinder. TB is an umbrella-shaped transmission beam, and RB is a pencil-shaped reception beam. The reception beam RB is formed with, for example, 64 resolutions in the azimuth direction. Then, the transmission beam TB is radiated in all directions from the transducer of the transmitter / receiver T, and the echo signals from the school of fish received by the reception beam RB in each direction are analyzed with a scanning sonar. Ask for data. On the other hand, for the distance direction, detection image data of each region P in the transmission beam TB is sequentially generated with a resolution corresponding to the sampling period on the time axis. Further, the detection range can be changed by changing the depression angle α of the transmission beam TB. A method for forming the transmission beam TB and the reception beam RB is described in
上記のスキャニングソナーでは、一般的に、遠距離の探知では、受信ビームRBのエネルギー密度を上げる方が探知性能の点で有利であるので、幅の狭い(広がり角の小さい)受信ビームRBが用いられる。また、海面や海底からの反射の影響を受け難くする点からも受信ビームRBの幅を絞ることは有益である。一方、近距離の探知では、受信ビームRBの幅を絞ると受信ビームRBのカバーできる範囲が小さくなるので、幅の広い(広がり角の大きい)受信ビームが用いられる。このため、幅の狭い受信ビームRBを用いて遠距離の探知が行われるときには、近距離に位置する魚群の探知漏れが生じることがある。そこで、水平方向の探知を行う場合、超音波を送信してからの経過時間が長くなる(探知距離が長くなる)に従って受信ビームRBの上下方向の広がり角θVを小さくすることにより、海面や海底からの反射の影響を受けることなく、広範囲且つ遠距離までの探知を可能にすることが提案されている(例えば、特許文献1)。また、受信ビームRBの俯角αと上下方向の広がり角θVとを、超音波を送信してからの経過時間が長くなる(探知距離が長くなる)に従って連動させて徐々に小さくすることにより、同様の目的を達成することも提案されている(例えば、特許文献2,3)。
In the above-described scanning sonar, in general, it is advantageous from the viewpoint of detection performance to increase the energy density of the reception beam RB in long-distance detection. Therefore, the reception beam RB having a narrow width (small spread angle) is used. It is done. It is also beneficial to reduce the width of the reception beam RB from the point of being less susceptible to reflections from the sea surface and the sea floor. On the other hand, in short-distance detection, if the width of the reception beam RB is narrowed, the range that can be covered by the reception beam RB becomes small, so a wide reception beam (with a wide spread angle) is used. For this reason, when a long-distance detection is performed using the narrow reception beam RB, a detection failure of a school of fish located at a short distance may occur. Therefore, when performing horizontal detection, by reducing the vertical divergence angle theta V reception beam RB in accordance with the elapsed time from the transmission of the ultrasonic waves becomes longer (detection distance becomes longer), sea level Ya It has been proposed to enable detection over a wide range and a long distance without being affected by reflection from the seabed (for example, Patent Document 1). Further, by gradually decreasing the depression angle α and the vertical spread angle θ V of the reception beam RB in conjunction with the increase in the elapsed time after transmitting the ultrasonic wave (the detection distance becomes longer), It has also been proposed to achieve the same object (for example,
図12は、スキャニングソナーで縦方向の探知を行う例を示す図であり、矢印で示す船首方位に対してベアリング角βをなす鉛直面内での探知範囲を示している。図12(a)は上述の円筒形の送受波器Tを用いた場合の例を示す。図12(b)は、表面に多数の振動子を有する球形の送受波器Taを用いた場合の例を示す。図において、TBは扇形の送信ビーム、RBはペンシル形の受信ビームである。この縦方向の探知では、縦方向に扇状に広がる範囲を探知する。但し、円筒形の送受波器Tでは、真下方向へは送信ビームTBおよび受信ビームRBを形成できないので、真下付近は探知対象外となる。また、ベアリング角βを変えることにより、縦方向の探知範囲を変更することもできる。上記の扇形の送信ビームTBの形成方法などについては、後記の特許文献4に示されている。
FIG. 12 is a diagram illustrating an example in which vertical detection is performed using a scanning sonar, and illustrates a detection range in a vertical plane that forms a bearing angle β with respect to the heading indicated by an arrow. FIG. 12A shows an example in which the above-described cylindrical transducer T is used. FIG. 12B shows an example in which a spherical transducer Ta having a large number of transducers on the surface is used. In the figure, TB is a fan-shaped transmission beam, and RB is a pencil-shaped reception beam. In the detection in the vertical direction, a range extending in a fan shape in the vertical direction is detected. However, in the cylindrical transducer T, the transmission beam TB and the reception beam RB cannot be formed in the downward direction, so that the vicinity below the detection target is not detected. Also, the detection range in the vertical direction can be changed by changing the bearing angle β. The method for forming the above fan-shaped transmission beam TB is disclosed in
図13(a)は上記の縦方向の探知での各方位の受信ビームを示す図であり、図13(b)はスキャニングソナーの表示部に表示される探知画像を示す図である。図において、50は海面、51は海底、F1,F2は海底51の近くにいる魚群、P1〜P5は海底51の位置を示す。P1は送受波器Taの鉛直下方の位置であり、Q31は送受波器Taからの距離がP3と等しい位置である。また、受信ビームRB12とRB13とは受信ビームRB11に対して左右対称であるので、受信ビームRB13については説明を省略する。位置P1においては、海底51の画像G0は、送受波器TaからP2までの距離とP1までの距離との差に相当する厚さで表示部に表示される。また、海底51の画像G0の上方に魚群F1の画像G1も表示される。
FIG. 13A is a diagram showing received beams in each direction in the above-described vertical detection, and FIG. 13B is a diagram showing a detection image displayed on the display unit of the scanning sonar. In the figure, 50 is the sea surface, 51 is the seabed, F1 and F2 are fish schools near the
一方、受信ビームRB11とRB12との広がり角θV11は等しいので、鉛直下方とのなす角が大きい方位における受信ビームRB12では、送受波器TaからP3までの距離とP5までの距離との差(Q31,P5間の距離)が大きくなる。このため、魚群F2は送受波器Ta,P3間の距離を半径とする円弧S31の右側に位置することになり、魚群F2からのエコー信号は、海底51からのエコー信号の受信中に受信される。また、魚群F2からのエコー信号は、一般的には海底51からのエコー信号に比べて信号レベルが小さいので、海底51からのエコー信号中に埋もれてしまう。従って、P3、P5の略中間位置P4においては、海底51の画像G0だけが、Q31,P5間の距離に相当する厚さで表示部に表示される。
On the other hand, since the spread angles θ V11 of the reception beams RB11 and RB12 are equal, in the reception beam RB12 in the direction where the angle formed by the vertically downward direction is large, the difference between the distance from the transducer Ta to P3 and the distance to P5 ( (Distance between Q31 and P5) increases. For this reason, the fish school F2 is located on the right side of the arc S31 having a radius between the transducers Ta and P3, and the echo signal from the fish school F2 is received during reception of the echo signal from the
しかしながら、上記特許文献1〜3には、方位別の受信ビーム、受信ビームの横方向の広がり角の制御、および上述の縦方向の探知については何ら示されていない。このため、スキャニングソナーに適用することができないという問題、および魚群F1,F2が海底51から等距離にいるにもかかわらず(図13)、魚群F2を探知することができないという問題もある。さらに、上記特許文献2、3に示されるものにおいては、超音波が送信される俯角については何ら言及されていないが、探知距離が短いときは受信ビームの俯角を大きくし、探知距離が長いときは受信ビームの俯角を小さくする。このため、超音波が送信されていない方向に対して形成された受信ビームに基づいて魚群の探知が行われることもあるので、本来探知できるはずの魚群を探知できなくなるという問題も生じる。
However, the above-mentioned
本発明は、上記問題点を解決するものであって、その課題とするところは、受信ビームの広がり角を制御することにより、広範囲を探知することのできるスキャニングソナーを提供することにある。 The present invention solves the above-described problems, and an object of the present invention is to provide a scanning sonar that can detect a wide range by controlling the divergence angle of a received beam.
本発明において、「方位」とは、水平面内における角度位置に限らず、図11に示す傘形の円周方向の位置や図12に示す扇形の円弧方向における位置をも含む概念である。また、「方位方向」とは、上記の方位が変化する方向をいう。 In the present invention, the “azimuth” is a concept including not only the angular position in the horizontal plane but also the position in the circumferential direction of the umbrella shown in FIG. 11 and the position in the circular arc shape shown in FIG. The “azimuth direction” refers to a direction in which the above azimuth changes .
第1の発明では、複数の振動子を方位方向および方位方向に直交する直交方向に配列した送受波器と、複数の振動子を駆動して所定の俯角を有する超音波の送信ビームを水中の放射面の各方位へ送信する送信制御手段と、複数の振動子で受信される受信信号を合成して方位別の受信ビームの信号を形成する受信制御手段と、当該信号に基づいて探知対象物の探知情報を表示部に表示させる表示制御手段と、を備えたスキャニングソナーにおいて、受信制御手段は、送受波器から所定の俯角で傘形の送信ビームが送信された場合に、受信ビームの俯角が、送信ビームの送信方向の探知距離にかかわらず一定で送信ビームの俯角と等しくなるように制御すると共に、放射面に直交する方向における受信ビームの広がり角を探知距離が長くなるに従って小さくなるように制御し、放射面内における受信ビームの広がり角を一定に保持するように制御する。 In the first invention, a transducer having a plurality of transducers arranged in an azimuth direction and an orthogonal direction orthogonal to the azimuth direction, and a transmission beam of an ultrasonic wave having a predetermined depression angle by driving the plurality of transducers in the water Transmission control means for transmitting to each azimuth of the radiation surface, reception control means for synthesizing reception signals received by a plurality of transducers to form reception beam signals for each azimuth, and detection object based on the signals And a display control means for displaying the detection information on the display section, the reception control means , when the umbrella-shaped transmission beam is transmitted from the transducer at a predetermined depression angle, the depression angle of the reception beam follow the but controls to be equal to the depression angle of the transmit beam at a constant regardless of the detection distance of the transmitting direction of the transmission beam, detection range spread angle of the receive beam in a direction perpendicular to the radiation plane is longer Controlled so as to reduce Te is controlled to maintain the spread angle of the received beam in the radiation plane constant.
このようにすることで、探知距離が短いときは、送信ビームの放射面に直交する方向における受信ビームの広がり角(実施形態に示す上下方向の広がり角)が大きいので、広範囲を探知することができ、魚群探知の効率化を図ることができる。一方、探知距離が長いときは、上記広がり角が小さいので、魚群などのエコー信号、すなわち受信ビーム信号のエネルギー密度の低下が防止され、遠距離に位置する魚群などを高い確率で探知することができる。さらに、特許文献2,3に示されるように上記広がり角と受信ビームの俯角とを連動させて変化させずに、受信ビームの俯角が送信ビームの俯角と等しくなるように制御されるので、超音波が送信された方向に位置する魚群などを確実に探知することができる。尚、送信ビームの放射面内における受信ビームの広がり角(実施形態に示す左右方向の広がり角)が一定に保持されるのは、方位別の受信ビームが送信ビームの放射面内において隙間なく形成されるからである。
By doing so, when the detection distance is short, the spread angle of the reception beam in the direction orthogonal to the radiation plane of the transmission beam (the spread angle in the vertical direction shown in the embodiment) is large, so that a wide range can be detected. It is possible to improve the efficiency of fish school detection. On the other hand, when the detection distance is long, the divergence angle is small, so that it is possible to prevent the echo signal of the fish school, that is, the energy density of the received beam signal, and detect the school of fish located at a long distance with high probability. it can. Further, as shown in
第1の発明の実施形態においては、受信制御手段は、放射面に直交する方向における各探知距離での受信ビームの幅が一定となるように当該方向における当該受信ビームの広がり角を制御することができる。このようにすることで、各探知距離での受信ビームは一定の幅の平行ビームとなるので、探知範囲の境界が明確になると共に、平行ビームの境界内にいる魚群を確実に探知することができる。また、俯角を変えて探知範囲を変更する場合、変更前の俯角と平行ビームの幅とに基づいて、探知漏れがなく、且つ探知範囲の重複の少ない新たな探知範囲を容易に決定することができるので、魚群探知の効率化を図ることができる。 In the embodiment of the first invention, the reception control means controls the spread angle of the received beam in the direction so that the width of the received beam at each detection distance in the direction orthogonal to the radiation surface is constant. Can do. By doing so, the reception beam at each detection distance becomes a parallel beam of a certain width, so that the boundary of the detection range is clarified and the fish school in the boundary of the parallel beam can be detected reliably. it can. In addition, when changing the detection range by changing the depression angle, it is possible to easily determine a new detection range with no detection omission and little overlap of the detection ranges based on the depression angle before the change and the width of the parallel beam. As a result, the efficiency of fish detection can be improved.
また、第1の発明の実施形態においては、合成される受信信号は所定の周期でサンプリングされ、受信制御手段は、サンプリングされたデータごとに放射面に直交する方向における受信ビームの広がり角を制御することができる。このようにすることで、探知距離に応じた理想的な受信ビームを木目細かく形成することができる。 In the embodiment of the first invention, the received signal to be synthesized is sampled at a predetermined period, and the reception control means controls the spread angle of the received beam in the direction orthogonal to the radiation surface for each sampled data. can do. In this way, an ideal reception beam corresponding to the detection distance can be finely formed.
第1の発明の実施形態においては、受信制御手段は、放射面に直交する方向における受信ビームの広がり角を当該受信ビームの形成に寄与する直交方向に配列された振動子の受信信号の数を増減することによって制御することができる。このように受信ビームの形成に寄与する受信信号の数を増減する(受信開口を大きく、または小さくする)ことによって上記広がり角を制御するので、受信開口内の各振動子の受信信号の振幅を制御する振幅制御に比べて、受信ビームの信号レベルを低下させることなく、上記広がり角を広いレンジにおいて高い自由度で変えることができる。 In the embodiment of the first invention, the reception control means determines the number of reception signals of the transducers arranged in the orthogonal direction that contributes to the formation of the reception beam by the spread angle of the reception beam in the direction orthogonal to the radiation surface. It can be controlled by increasing or decreasing. In this way, the spread angle is controlled by increasing or decreasing the number of reception signals that contribute to the formation of the reception beam (increasing or decreasing the reception aperture), so that the amplitude of the reception signal of each transducer within the reception aperture is reduced. Compared with the amplitude control to be controlled, the spread angle can be changed with a high degree of freedom in a wide range without reducing the signal level of the received beam.
第2の発明では、複数の振動子を方位方向および方位方向に直交する直交方向に配列した送受波器と、複数の振動子を駆動して超音波の送信ビームを鉛直面または鉛直面に対して所定の角度で傾斜した傾斜面である水中の放射面の各方位へ送信する送信制御手段と、複数の振動子で受信される受信信号を合成して方位別の受信ビームの信号を形成する受信制御手段と、当該信号に基づいて探知対象物の探知情報を表示部に表示させる表示制御手段と、を備えたスキャニングソナーにおいて、受信制御手段は、送受波器から放射面内に扇形の送信ビームが送信された場合に、受信ビームの主軸が放射面と一致するように制御すると共に、放射面内における受信ビームの広がり角を当該受信ビームの方位と鉛直下方とのなす角が大きくなるに従って小さくなるように制御し、放射面に直交する方向における当該受信ビームの広がり角を一定に保持するように制御する。 In the second invention, a transducer in which a plurality of transducers are arranged in an azimuth direction and an orthogonal direction orthogonal to the azimuth direction, and a plurality of transducers are driven to transmit an ultrasonic transmission beam to a vertical plane or a vertical plane. The transmission control means for transmitting to each azimuth of the underwater radiation surface, which is an inclined surface inclined at a predetermined angle, and the reception signals received by the plurality of transducers are combined to form reception beam signals for each azimuth. In a scanning sonar comprising a reception control means and a display control means for displaying detection information of a detection object on a display unit based on the signal, the reception control means transmits a fan-shaped transmission from the transducer to the radiation plane. When the beam is transmitted , control is performed so that the main axis of the reception beam coincides with the radiation surface, and the angle formed by the azimuth of the reception beam and the vertically downward direction is increased in the radiation surface. Follow Controlled to be small, controlled to maintain a constant spread angle of the reception beam in a direction perpendicular to the radiation surface.
このようにすることで、受信ビームの方位と鉛直下方とのなす角が大きい方位では、送信ビームの放射面内における受信ビームの広がり角が小さいので、当該方位の受信ビームが海底からのエコー信号の影響を受ける範囲が狭くなり、海底近くの魚群などを探知することが可能となる。つまり、広範囲を探知することが可能となる。一方、受信ビームの方位と鉛直下方とのなす角が小さい方位では、上記広がり角が大きいので、少ない数の受信ビームで広い範囲を探知することができる。さらに、受信ビームの主軸が上記放射面と一致するように制御されるので、超音波が送信された方向に位置する魚群などを確実に探知することができる。尚、送信ビームの放射面に直交する方向における受信ビームの広がり角が一定に保持されるのは、広がり角を可変制御しなくても所定の範囲に位置する魚群などを探知することができるからである。 By doing in this way, in the azimuth where the angle between the azimuth of the received beam and the vertically downward direction is large, the spread angle of the received beam in the radiation plane of the transmitted beam is small. The range affected by this becomes narrower, and it becomes possible to detect fish schools near the seabed. That is, it is possible to detect a wide range. On the other hand, in the azimuth where the angle formed between the azimuth of the received beam and the vertically downward direction is small, the divergence angle is large, so that a wide range can be detected with a small number of received beams. Furthermore, since the main axis of the reception beam is controlled so as to coincide with the radiation surface, it is possible to reliably detect a school of fish located in the direction in which the ultrasonic waves are transmitted. The reason why the spread angle of the reception beam in the direction orthogonal to the radiation plane of the transmission beam is kept constant is that it is possible to detect a school of fish located in a predetermined range without variably controlling the spread angle. It is.
第2の発明の変形例として、受信制御手段は、放射面に直交する方向における受信ビームの広がり角を一定に保持することに代えて、当該広がり角を探知距離が長くなるに従って小さくなるように制御してもよい。このようにすることで、上記第1の発明と同様の効果がさらに得られる。 As a modification of the second aspect of the invention, the reception control means is configured to reduce the divergence angle as the detection distance becomes longer, instead of keeping the divergence angle of the received beam in a direction orthogonal to the radiation plane constant. You may control. By doing in this way, the effect similar to the said 1st invention is further acquired.
第2の発明の変形例として、受信制御手段は、放射面に直交する方向における受信ビームの広がり角を一定に保持することに代えて、当該広がり角を受信ビームの方位と鉛直下方とのなす角が大きくなるに従って小さくなるように制御してもよい。このようにすることで、海底からのエコー信号によって海底近くの探知範囲が狭くなることの多い鉛直下方とのなす角が大きい方位において、送信ビームの放射面に直交する方向における受信ビームの幅が広くならないので、送信ビームの放射面が鉛直面に対して傾斜しているときでも、海底近くの魚群などをより確実に探知することが可能となる。 As a modification of the second invention, the reception control means, instead of holding the reception beam divergence angle in a direction orthogonal to the radiation plane constant, makes the divergence angle the vertical direction and the reception beam azimuth. You may control so that it may become small as an angle | corner becomes large. By doing this, the width of the received beam in the direction perpendicular to the radiation surface of the transmitted beam is larger in the direction with a large angle with the vertical downward direction where the detection range near the sea floor is often narrowed by the echo signal from the sea floor. Since it does not become wide, even when the radiation surface of the transmission beam is inclined with respect to the vertical plane, it becomes possible to more reliably detect a school of fish near the seabed.
第2の発明の実施形態においては、受信制御手段は、放射面内における受信ビームの広がり角を当該受信ビームの形成に寄与する方位方向に配列された振動子の受信信号の数を増減することによって制御することができる。このように受信ビームの形成に寄与する受信信号の数を増減する(受信開口を大きく、または小さくする)ことによって上記広がり角を制御するので、受信開口内の各振動子の受信信号の振幅を制御する振幅制御に比べて、受信ビームの信号レベルを低下させることなく、上記広がり角を広いレンジにおいて高い自由度で変えることができる。 In the embodiment of the second invention, the reception control means increases or decreases the number of reception signals of the transducers arranged in the azimuth direction that contributes to the formation of the reception beam by the spread angle of the reception beam in the radiation plane. Can be controlled by. In this way, the spread angle is controlled by increasing or decreasing the number of reception signals that contribute to the formation of the reception beam (increasing or decreasing the reception aperture), so that the amplitude of the reception signal of each transducer within the reception aperture is reduced. Compared with the amplitude control to be controlled, the spread angle can be changed with a high degree of freedom in a wide range without reducing the signal level of the received beam.
本発明によれば、スキャニングソナーで広範囲を探知することができる。 According to the present invention, a wide range can be detected with a scanning sonar.
以下、図面を参照して本発明の第1の実施形態を説明する。図1は球形の送受波器の外観を示す図である。この送受波器1は、図12(b)の送受波器Taと同じものであり、球形の本体1aの表面には多数の振動子(超音波トランスデューサ)2が設けられている。各振動子2は、配置が均一となるように、例えば、本体1aの球面に内接する正20面体(各面は正三角形)の頂点や正20面体の辺を球面に投影した線上の点などに配置されている。また、各振動子2は、振動子2の超音波に対する指向性特性の主軸が本体1aの球面の法線と一致するように、本体1aに取り付けられている。1bは送受波器1を船舶の底部に支持するためのパイプであり、パイプ1bの中空部には各振動子2とスキャニングソナーの回路部とを接続する配線が収容されている。また、不図示の昇降機構により送受波器1を昇降させることもできる。図では、数十個の振動子2が図示されているが、一般的には数百個の振動子2が送受波器1に取り付けられる。
Hereinafter, a first embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings. FIG. 1 is a view showing the appearance of a spherical transducer. The
図2は球形の送受波器1での送信ビームを示す図であり、以下では、送受波器1を地球に例えて説明する。図において、Nは地球の北極に相当する送受波器1上の位置を表す。送受波器1の鉛直面内における、開口角(以下、鉛直開口角という)をφVTとする開口(以下、鉛直開口という)に含まれる振動子2(地球に例えると、例えば、北緯45度から南緯45度の範囲に位置する振動子2)に印加する送信信号を、振動子2の鉛直方向における位置に応じて図の矢印の長さに相当する時間だけ遅延させ、各振動子2から出力される超音波の位相を合わせることによって、送信ビームTBが送受波器1の全周に形成される。また、鉛直開口を下方にα度だけ回転させれば、俯角がαの傘形の送信ビームTBaが形成される。
FIG. 2 is a diagram showing a transmission beam in the
図3は球形の送受波器1での受信ビームを示す図である。図3(a)、(b)に示すように、水平面内における開口角(以下、水平開口角という)をφHとする開口(以下、水平開口という)および鉛直開口角をφVとする鉛直開口とで規定される範囲(以下、この範囲を受信開口という)に含まれる振動子2aなどの受信信号の位相を制御することによって、ペンシル形の受信ビームRBが形成される。具体的には、上記受信開口内の振動子2aなどの水平面内における位置に応じて図3(a)の矢印の長さに相当する時間だけ各振動子2aなどの受信信号の位相を遅延させると共に、上記受信開口内の振動子2pなどの鉛直方向における位置に応じて図3(b)の矢印の長さに相当する時間だけ各振動子2pなどの受信信号の位相を遅延させる。尚、上記の受信開口の形状は矩形状となるが、受信開口の形状を楕円状などにしてもよい。
FIG. 3 is a diagram showing a reception beam in the
図3(c)は受信ビームRBを上方から見た図であり、上記の水平開口の位置を水平面内で変えることで、他の方位の受信ビーム、例えば受信ビームRBaを形成することができる。図3(d)は受信ビームRBを側方から見た図であり、鉛直開口を下方にα度だけ回転させることで、俯角がαの受信ビームRBbを形成することができる。受信ビームRBは、2つの方向(上下方向および左右方向)において広がり角を持つ。θHは左右方向における(水平面内における)広がり角であり、θVは上下方向における(鉛直面内における)広がり角である。また、2つの広がり角θHおよびθVの2等分線が、受信ビームRBの指向特性の主軸となる。尚、図では、広がり角θH、θVを頂角とする二等辺三角形に近い形状で受信ビームRBが示されているが、実際の受信ビームの形状は、より丸みを帯びた形状である。この点については、以下の説明でも同様である。 FIG. 3C is a view of the reception beam RB as viewed from above. By changing the position of the horizontal opening in the horizontal plane, a reception beam of another direction, for example, the reception beam RBa can be formed. FIG. 3D is a view of the reception beam RB viewed from the side, and the reception beam RBb having a depression angle α can be formed by rotating the vertical opening downward by α degrees. The reception beam RB has a divergence angle in two directions (vertical direction and horizontal direction). θ H is the spread angle in the left-right direction (in the horizontal plane), and θ V is the spread angle in the vertical direction (in the vertical plane). Further, the two bisectors of the spread angles θ H and θ V are the main axes of the directivity of the reception beam RB. In the figure, the received beam RB is shown in a shape close to an isosceles triangle with the divergence angles θ H and θ V as apex angles, but the actual shape of the received beam is a more rounded shape. . The same applies to the following description.
広がり角θH、θVは、上記の受信信号の位相制御によってペンシル型の受信ビームRBを形成することで所定の角度になる。さらに、各振動子2の受信信号の振幅を制御する振幅制御、または上記受信開口の大きさを制御する受信開口制御によっても、広がり角θH、θVの大きさを制御することができる。広がり角θHとθVとの制御方法は同様であるので、ここでは左右方向の広がり角θHの制御について主に説明する。
The divergence angles θ H and θ V become predetermined angles by forming a pencil-type reception beam RB by controlling the phase of the reception signal. Furthermore, the magnitudes of the spread angles θ H and θ V can also be controlled by amplitude control for controlling the amplitude of the reception signal of each
まず、特許文献2,3にも示されている振幅制御について説明する。振幅制御は、受信ビームRBの形成に寄与する各振動子2a〜2e(図3(a))の受信信号の振幅を制御することで、具体的には、受信信号に乗算するウエイトを変えることで、広がり角θHを制御する。例えば、図3(e)に示すように、各振動子2a〜2eの受信信号に乗算するウエイトを振動子2の位置が水平開口の中央から離れるに従って小さくする。ここで、振動子2a,2b,2d,2eの受信信号に乗算するウエイトを大きくすれば広がり角θHは小さくなり、ウエイトを小さくすれば広がり角θHは大きくなる。従って、全ての振動子2a〜2eの受信信号に乗算するウエイトを1にすると、広がり角θHは最小となる。同様にして、受信ビームRBの形成に寄与する各振動子2p、2q、2c、2r、2s(図3(b))の受信信号に乗算するウエイトを変えることで、上下方向の広がり角θVを制御する。
First, the amplitude control disclosed in
次に、受信開口制御について説明する。受信開口制御は、受信ビームRBの形成に寄与する振動子2を規定する受信開口を拡大または縮小することで、広がり角θHの大きさを制御する。すなわち、水平開口を大きくすることによって、広がり角θHを小さくする。また、水平開口を小さくすることによって、広がり角θHを大きくする。同様にして、鉛直開口を拡大または縮小することで、上下方向の広がり角θVを制御する。受信開口制御では受信開口の大きさを自由に拡大または縮小することができるので、振幅制御に比べて、受信ビームの信号レベルを低下させることなく、広がり角θH、θVを広いレンジにおいて高い自由度で変えることができる。本発明のスキャニングソナーは、記憶容量の大きいバッファメモリ11a(図4)を備え、多数の振動子2の受信信号を一時的に保存することができるので、性能の高い受信開口制御を採用している。このことは、振幅制御を採用すること、または受信開口制御と振幅制御とを併用することを排除するものではない。
Next, reception aperture control will be described. Receive aperture control is to enlarge or reduce the receive aperture defining a contributing
図4は、本発明に係るスキャニングソナー(以下、装置ともいう)の構成を示すブロック図である。制御部3は、CPU、メモリなどから構成され、不図示の操作部から入力されたデータや予めメモリに設定されているデータなどに基づいて、装置の各部を制御する。
FIG. 4 is a block diagram showing a configuration of a scanning sonar (hereinafter also referred to as an apparatus) according to the present invention. The
送信ビーム形成部6は、送信信号生成回路6bと遅延回路6aとからなる。送信信号生成回路6bは、所定の周波数、例えば40kHzの正弦波の送信信号を生成し、数m秒程度だけ出力する。つまり、送信信号をパルス的に発生させる。振動子2ごとに設けられた遅延回路6aは、図2に示すように、制御部20から指示された送信ビームTBの俯角αに基づいて鉛直開口の位置を決め、振動子2の上下方向の位置に応じた時間だけ上記の送信信号を遅延させる。遅延回路6aから出力される送信信号は、送信アンプ5で増幅され、送受信切換回路4を介して送受波器1の振動子2を駆動する。この結果、各振動子2から超音波が一斉に水中に送信され、送受波器1の周囲に傘形の送信ビームTBが形成される。以下の説明では、振動子2ごとの送信または受信の系統をチャンネルとよぶことにする。
The transmission
次に、受信系について説明する。各振動子2が受信した受信信号は、チャンネルごとに送受信切換回路4を介して受信アンプ7で増幅される。増幅された受信信号は、BPF(バンドパスフィルタ)8で上述の送信信号の周波数を含む所定の帯域幅以外の周波数の信号成分がノイズとして除去された後、A/D変換器9でデジタル信号に変換される。A/D変換器9は、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、第1位相と90度だけ位相の異なる第2位相とで受信信号をサンプリングし、サンプリングした信号(サンプルデータ)を順次出力する。第1位相でサンプリングされた信号をI信号、第2位相でサンプリングされた信号をQ信号、I+jQ(jは虚数単位)をIQ信号とよぶ。このI信号とQ信号とで表される受信信号に対して後続の回路で各種の演算が施される。例えば、後述の受信ビーム信号の形成時には、受信信号にexp(jθC)を乗算することによって、受信信号の位相がθCだけ補正される。
Next, the receiving system will be described. The reception signal received by each
ゲイン調整部10は、水中の同一の反射物(例えば、探知対象物である魚群)からのエコー信号の振幅が送受波器1と反射物との距離に依存することなく一定となるように、受信信号の増幅率を調整する。すなわち、受信信号のサンプルデータのそれぞれに送信ビームを送信してからの経過時間に応じた増幅率を乗算することによって、受信信号の振幅を調整する。このゲイン調整部10から出力される各チャンネルのサンプルデータは、一旦受信ビーム形成部11のバッファメモリ11aに格納される。
The
受信ビーム形成部11は、バッファメモリ11a、位相補正回路11b、ウエイト乗算回路11c、加算回路11d、制御回路11e、係数メモリ11f、およびDSP(デジタルシグナルプロセッサ)とメモリとからなるDSP部11gから構成される。まず、受信ビーム形成部11の概要について説明する。上記のバッファメモリ11aに格納された各チャンネルのサンプルデータは、制御回路11eからのアドレス信号などによって読み出される。バッファメモリ11aから読み出された各チャンネルのサンプルデータに対して、位相補正回路11bで係数メモリ11fから出力されるチャンネルごとの位相補正量θCによって位相の補正(位相制御)が行われ、さらに、ウエイト乗算回路11cで係数メモリ11fから出力されるチャンネルごとのウエイトw(1または0)が乗算される。そして、加算回路11dで各チャンネルの受信信号(サンプルデータ)を加算することによって、受信ビーム信号が形成される。
The reception beam forming unit 11 includes a
次に、受信ビーム形成部11の各部について説明する。図5は係数メモリ11fに記憶されている係数テーブルの一例を示す図であり、図6はDSP部11gのメモリに記憶されている広がり角テーブルの一例を示す図である。係数テーブル61には、方位別の受信ビーム信号ごとに、各チャンネルの受信信号の位相補正量θC(図3(a)、(b)の矢印の長さに相当)およびA/D変換器9でサンプリングされたサンプルデータごとの各チャンネルの受信信号に乗算するウエイトw(1または0)が記憶されている。図5において、位相補正量θCの最初の添字は受信ビーム信号の番号を示し、2番目の添字はチャンネルの番号を示す。ウエイトwの最初の添字は受信ビーム信号の番号を示し、2番目の添字はサンプルデータの番号を示し、3番目の添字はチャンネルの番号を示す。また、サンプルデータ#1ウエイトは最初にサンプリングされたサンプルデータに乗算するウエイトであり、サンプルデータ#jウエイトはj番目(最後)にサンプリングされたサンプルデータに乗算するウエイトである。
Next, each part of the reception beam forming unit 11 will be described. FIG. 5 is a diagram illustrating an example of a coefficient table stored in the
次に、サンプルデータごとにウエイトデータを記憶する理由について説明する。後述するように、本発明では、超音波を送信した後の、魚群などからのエコー信号を受信する受信期間において、受信ビームの左右方向の広がり角θH(図3(c))を一定に保持するが、上下方向の広がり角θV(図3(d))を探知距離に応じて動的に制御する。そのため、制御部3は、不図示の操作部から指定された探知距離のデータに基づいて、最短探知距離から最長探知距離の範囲の各探知距離での受信ビームの上下方向の所望の広がり角θVを算出する。また、各探知距離とA/D変換器9から順次出力されるサンプルデータの番号とは対応関係にあるので、各探知距離での広がり角θVはサンプルデータごとの広がり角θVといえる。制御部3によって計算された、サンプルデータごとの上下方向の広がり角θVのデータは、広がり角テーブル62としてDSP部11gのメモリに書き込まれる。
Next, the reason for storing the weight data for each sample data will be described. As will be described later, in the present invention, in the reception period for receiving an echo signal from a school of fish after transmitting an ultrasonic wave, the horizontal spread angle θ H (FIG. 3C) of the received beam is kept constant. However, the vertical spread angle θ V (FIG. 3D) is dynamically controlled according to the detection distance. Therefore, the
上記の係数テーブル61では、受信ビームを形成するチャンネル、すなわち受信開口に含まれるチャンネルのウエイトwは1に設定され、受信ビームを形成しないチャンネルのウエイトwは0に設定される。そして、サンプルデータごとに各チャンネルのウエイトwを1または0とすることで、上述の受信開口の大きさが制御され、延いてはサンプルデータごとに受信ビームの上下方向の広がり角θVが制御される。尚、位相補正量θCがサンプルデータごとに係数テーブル61に記憶されていないのは、位相補正量θCは、上下方向における広がり角θVの動的な制御に直接的な影響を与えないからである。 In the coefficient table 61, the weight w of the channel forming the reception beam, that is, the channel included in the reception aperture is set to 1, and the weight w of the channel not forming the reception beam is set to 0. Then, by setting the weight w of each channel to 1 or 0 for each sample data, the size of the above-described reception aperture is controlled, and the vertical spread angle θ V of the reception beam is controlled for each sample data. Is done. The reason why the phase correction amount θ C is not stored in the coefficient table 61 for each sample data is that the phase correction amount θ C does not directly affect the dynamic control of the spread angle θ V in the vertical direction. Because.
次に、係数テーブル61の生成について説明する。DSP部11gのメモリには、上記の広がり角テーブル62の他に、制御部3から受信した、各振動子2の送受波器1の本体1a表面における位置(座標)、受信ビームの俯角、および各受信ビームの方位などのデータが記憶されている。DSP部11gは、上記のデータに基づいて上述の位相補正量θCを算出する。さらに、DSP部11gは、上記のデータに基づいて、サンプルデータごとの上下方向の広がり角θVが広がり角テーブル62の広がり角θV1などと等しくなり、且つ左右方向の広がり角θHが一定値となるように、各受信ビームを形成する受信開口の位置および大きさを決め、受信開口に含まれるチャンネルのウエイトwを1と決定し、それ以外のチャンネルのウエイトwを0と決定する。そして、算出された位相補正量θCと決定されたウエイトwとをDSP部11gが係数メモリ11fに書き込むことで、係数テーブル61が生成される。ここでは、サンプルデータごとにウエイトwを決定しているが、DSP部の演算処理の負荷を減らすために連続する複数のサンプルデータで同じウエイトwを共用するようにしてもよい。また、上記の係数テーブル61および広がり角テーブル62は、探知距離、送受信ビームの俯角などの探知条件が変更されたときに生成される。
Next, generation of the coefficient table 61 will be described. In the memory of the
制御回路11eは、発振回路、メモリ、タイミング回路などを内蔵している。送信ビーム形成部6から超音波を送信した旨の通知を受取ると、制御回路11eは、発振回路から出力されるパルスの計数を開始する。そして、計数値(この計数値は超音波を送信してからの経過時間を示す)に従って、制御回路11eは、バッファメモリ11aへサンプルデータを書き込むためのアドレス信号、バッファメモリ11aからサンプルデータを読み出すためのアドレス信号、読み出されたサンプルデータに用いられる係数テーブル61中の位相補正量θCとウエイトwとを係数メモリ11fから読み出すためのアドレス信号、および読み書き動作のための制御信号などを出力する。
The control circuit 11e includes an oscillation circuit, a memory, a timing circuit, and the like. When receiving a notification that an ultrasonic wave has been transmitted from the transmission
そして、バッファメモリ11aから読み出されたサンプルデータに対して、位相補正回路11bで係数テーブル61から読み出された該当する位相補正量θCによって位相の補正が行われ、さらにウエイト乗算回路11cで係数テーブル61から読み出された該当するウエイトwが乗算される。例えば、チャンネル番号2の受信データの最初のサンプルデータを用いて番号2の受信ビーム信号を形成する場合には、位相補正量θCとしてθC(2,2)(図5)が使用され、ウエイトwとしてw(2,1,2)(この値は1である)が使用される。さらに、位相補正およびウエイト乗算の行われた各チャンネルの受信信号を加算回路11dで加算することで、各方位の受信ビーム信号が生成され、加算回路11dから順次出力される。上記のように、受信開口を形成するチャンネルの受信信号に対して位相制御および受信開口制御を行い、さらに加算することによって、すなわち受信信号を合成することによって、左右方向の広がり角θHが一定であり、且つ上下方向の広がり角θVが探知距離に応じて動的に変化する各方位の受信ビームが形成される。
The sample data read from the
検波部12は、各方位の受信ビーム信号の振幅、すなわち受信ビーム信号の実数成分(I信号)の2乗と虚数成分(Q信号)の2乗との和の平方根を求めることによって、各方位の受信ビーム信号(エコー信号)の包絡線の信号を得る。この信号の大きさは、魚群の大きさや粗密の度合いなどに比例する。画像処理部13は、検波部12から出力される信号に対して画像処理を施すことによって、魚群の大きさや粗密、方位、距離に応じた魚群の画像を表示部14に表示する。
The
図7は浅海での魚群探知における受信ビームの制御を示す図である。図7(a)は1つの方位の受信ビームを側方から見た図であり、図7(b)は受信ビームを上方から見た図である。図において、50は海面、51は海底、Hは送受波器1と海底51との距離を示す。距離Hは、送受波器1から鉛直下方に超音波を送信し、海底51からのエコー信号を受信するまでの時間を計測することによって、または測深計を用いることによって求められる。また、矢印TBは、1つの方位での、送受波器1から俯角αで送信される傘形の送信ビームを示す。厳密には、送信ビームTBの指向特性の主軸面(送信ビームTBの放射面ともいう)を示す。
FIG. 7 is a diagram showing control of a received beam in fish school detection in shallow water. FIG. 7A is a view of a reception beam in one direction as viewed from the side, and FIG. 7B is a view of the reception beam as viewed from above. In the figure, 50 indicates the sea surface, 51 indicates the sea floor, and H indicates the distance between the
RB1〜RB3は、1つの方位の受信ビームであって、それぞれ探知距離D1〜D3での受信ビーム示す。受信ビームRB1〜RB3の上下方向の広がり角θV1〜θV3は、探知距離D1〜D3が長くなるに従って小さくなっている。また、受信ビームRBの上下方向の広がり角θVの2等分線(すなわち、受信ビームRBの指向特性の主軸)は、送信ビームTBの放射面と一致するようになっている。つまり、受信ビームRBの俯角は送信ビームTBの俯角αに等しい。尚、上記の説明では、サンプルデータごとに受信ビームが形成される、すなわちサンプルデータごとに受信ビームの上下方向の広がり角θVが制御されるとしたが、ここでは図示の都合上、3つの探知距離D1〜D3での、すなわち3つのサンプルデータに対する受信ビームRB1〜RB3が図示されている。 RB1 to RB3 are reception beams in one azimuth, and indicate reception beams at detection distances D1 to D3, respectively. The spread angles θ V1 to θ V3 in the vertical direction of the reception beams RB1 to RB3 become smaller as the detection distances D1 to D3 become longer. Further, the vertical direction of the bisector of the spread angle theta V received beams RB (i.e., the principal axis of the directivity of the receiving beam RB) is adapted to match the emission surface of the transmission beam TB. That is, the depression angle of the reception beam RB is equal to the depression angle α of the transmission beam TB. In the above description, the reception for each sample data beam is formed, i.e. in the vertical direction of the reception beam for each sample data is spread angle theta V has to be controlled, wherein for convenience of illustration, the three The reception beams RB1 to RB3 for the detection distances D1 to D3, that is, for three sample data are shown.
次に、受信ビームRBの上下方向の広がり角θVの制御について説明する。制御部3は、探知距離Dのときに受信ビームRBが海底51での反射の影響を受ける上下方向の広がり角θVを下記の式(1)によって算出する。
D・sin(α+θV/2)=H (1)
さらに、受信ビームRBの上下方向の広がり角θVは、海底51での反射の影響の他にも、受信ビームRBのエネルギー密度、送信ビームTBの上下方向の広がり角、海面50での反射の影響なども考慮して決定される。
Next, a description will be given of the control of the vertical divergence angle theta V receive beam RB.
D · sin (α + θ V / 2) = H (1)
Furthermore, the vertical spread angle θ V of the reception beam RB is not limited to the effect of reflection on the
例えば、広がり角θV1の受信ビームRB1では十分なエネルギー密度が得られない(振動子2の受信信号のレベルが小さ過ぎる)場合には、上下方向の広がり角θV1をより小さくした受信ビームRB1a(図7(a)で破線で示す)が形成されることもある。以上のことを考慮して、制御部3は、上述のように、探知距離Dごとの、すなわちサンプルデータごとの上下方向の広がり角θVを計算し、計算結果を広がり角テーブル62(図6)としてDSP部11gのメモリに書き込む。さらに、DSP部11gは、上述のように、広がり角テーブル62および各振動子2の送受波器1の本体1a表面における位置(座標)などのデータを用いて、係数テーブル61(図5)を生成する。
For example, when a sufficient energy density cannot be obtained with the reception beam RB1 having the divergence angle θ V1 (the level of the reception signal of the
一方、受信ビームRB1〜RB3の左右方向の広がり角θH(図7(b))は、探知距離Dに関係なく一定である。このように受信ビームRBの左右方向の広がり角θHを探知距離Dに関係なく一定としているのは、送受波器1の全方位に隙間なく受信ビームRBが形成されるので、広がり角θHを動的に変更する必要がないからである。図7(b)では、受信ビームRB1〜RB3と、隣接する2つの受信ビームとが図示されているが、他の方位にも同様な受信ビームが形成されている。
On the other hand, the spread angle θ H (FIG. 7B) in the left-right direction of the reception beams RB1 to RB3 is constant regardless of the detection distance D. Is the is constant regardless of the detection distance D in the lateral direction of the spread angle theta H of the thus received beam RB, since no gap receiving beam RB are formed in all directions of the
そして、俯角αの超音波の送信ビームTBが送受波器1の周囲に放射された後に、振動子2で受信した魚群などからのエコー信号を解析することによって魚群探知が行われる。受信期間においては、各振動子2で受信された受信信号は、A/D変換器9によって所定の周期でサンプリングされる。そして、受信ビーム形成部11は、A/D変換器9から順次出力されるサンプルデータから、各探知距離Dでの受信ビーム信号を形成し、順次出力する。受信ビーム信号は、上述のように、各チャンネルのサンプルデータに対して係数テーブル61に記憶されている位相補正量θCで位相を補正し、さらにウエイトwを乗算し、その後加算することによって形成される。ここで、上記の係数テーブル61には、探知距離D1〜D3での上下方向の広がり角をθV1〜θV3にするためのウエイトwのデータが記憶されているので、図に示す受信ビームRB1〜RB3が形成される。
Then, after the ultrasonic transmission beam TB of the depression angle α is radiated around the
以上述べたように、探知距離Dが長くなるに従って受信ビームRBの上下方向の広がり角θVが小さくなるように、広がり角θVが制御される。また、広がり角θVの制御に際しては、送受波器1から海底51までの距離Hなども考慮される。この結果、短距離では広い範囲を探知することができ、遠距離の探知ではエコー信号のエネルギー密度の低下を防止することができる。また、海面50および海底51からの反射の影響を受けることなく探知を行うこともできる。さらに、上下方向の広がり角θVは探知距離Dに応じて動的に制御されるが、受信ビームRBの俯角は一定であり、送信ビームTBの俯角αと等しくなるように制御されるので、超音波が送信された方向に位置する魚群などを確実に探知することができる。
As described above, as the spread angle theta V in the vertical direction of the reception beam RB in accordance with detection distance D is longer decreases, the divergence angle theta V is controlled. Further, when the control of the spread angle theta V, such as the distance H from the
さらに、A/D変換器9から出力されるサンプルデータごとに受信ビームRBが形成されるので、上下方向の広がり角θVを木目細かく制御することができ、理想的な形状の受信ビームRBを形成することができる。尚、上述のように連続する複数のサンプルデータで共通の位相補正量θCおよびウエイトwのデータを用いる場合には、例えば50m秒経過するたびに(水中での音速を1500m/秒とすると、探知距離が75m増加するたびに)、上下方向の広がり角θVが小さくなっていく。
Further, the reception beam RB for each sample data outputted from the A /
図8(a)は、海底が十分に深い所で魚群を探知するときの受信ビームの制御を示す図である。ここでは、送受波器1と海底との距離を考慮して受信ビームRBの上下方向の広がり角θVを制御する必要はない。図7の場合と同様に、RB1〜RB3は、1つの方位の受信ビームであって、それぞれ探知距離D1〜D3での受信ビームを示す。受信ビームRB1〜RB3の上下方向の広がり角θV1〜θV3は、探知距離D1〜D3が長くなるに従って小さくなっている。また、受信ビームRBの上下方向の広がり角θVの2等分線は、送信ビームTBの放射面と一致するようになっている。つまり、受信ビームRBの俯角は送信ビームTBの俯角αに等しい。従って、図7の場合と同様の効果が得られる。
FIG. 8A is a diagram illustrating control of the reception beam when detecting a school of fish in a place where the sea floor is sufficiently deep. Here, there is no need to control the divergence angle theta V in the vertical direction of the reception beam RB in consideration of the distance between the
尚、上記の説明では、サンプルデータごとに受信ビームが形成される、すなわちサンプルデータごとに受信ビームの上下方向の広がり角θVが制御されるとしたが、ここでは図示の都合上、3つの探知距離D1〜D3での、すなわち3つのサンプルデータに対する受信ビームRB1〜RB3が図示されている。また、図示は省略されているが、受信ビームRBの左右方向の広がり角は、探知距離Dに関係なく一定に保持されている。 In the above description, the reception for each sample data beam is formed, i.e. in the vertical direction of the reception beam for each sample data is spread angle theta V has to be controlled, wherein for convenience of illustration, the three The reception beams RB1 to RB3 for the detection distances D1 to D3, that is, for three sample data are shown. Although not shown in the figure, the horizontal spread angle of the reception beam RB is kept constant regardless of the detection distance D.
図8(b)は、図8(a)の場合において、各探知距離D1〜D3での受信ビームの上下方向の幅が一定になるように制御された受信ビームRB1〜RB3を示す図である。ここでは、各探知距離Dにおける受信ビームの上下方向の幅Lが一定になるように、すなわち下記の式(2)を満たすように、受信ビームRBの上下方向の広がり角θVが制御される。
D1・tan(θV1/2)=D2・tan(θV2/2)=
D3・tan(θV3/2)=D・tan(θV/2)=L/2 (2)
FIG. 8B is a diagram showing the reception beams RB1 to RB3 that are controlled so that the vertical widths of the reception beams at the detection distances D1 to D3 are constant in the case of FIG. 8A. . Here, the vertical spread angle θ V of the reception beam RB is controlled so that the vertical width L of the reception beam at each detection distance D is constant, that is, the following equation (2) is satisfied. .
D1 · tan (θ V1 / 2) = D2 · tan (θ V2 / 2) =
D3 · tan (θ V3 / 2) = D · tan (θ V / 2) = L / 2 (2)
上記の上下方向の広がり角θVを木目細かく制御することによって、具体的には、サンプルデータごとに上下方向の広がり角θVを順次小さくしていくことによって、探知距離D1よりも遠い各探知距離Dでの受信ビームRBの上下方向の幅Lは一定となり、平行ビームPBが形成されることになる。この結果、探知範囲の境界が明確になると共に、平行ビームPBの境界内にいる魚群を確実に探知することができる。また、俯角を変えて探知範囲を変更するときにも、変更前の俯角と平行ビームPBの幅Lとに基づいて、探知漏れがなく、且つ探知範囲の重複の少ない新たな探知範囲を容易に決定することができる。この場合も、制御部3は、送信ビームTBの俯角、送受波器1と海面50との距離などを考慮して平行ビームPBの幅Lを決め、幅Lの平行ビームPBを実現するための広がり角テーブル62を生成する。さらに、DSP部11gは、広がり角テーブル62などに基づいて、幅Lの平行ビームPBを実現するための係数テーブル61を生成する。そして、この係数テーブル61に基づいて、受信ビームの上下方向の広がり角θVが制御される。
By finely controlling the divergence angle theta V of the vertical, specifically, by sequentially reducing the vertical divergence angle theta V for each sample data, each detector further than detection distance D1 The width L in the vertical direction of the reception beam RB at the distance D is constant, and the parallel beam PB is formed. As a result, the boundary of the detection range becomes clear, and the fish school in the boundary of the parallel beam PB can be detected reliably. In addition, when changing the detection range by changing the depression angle, it is easy to create a new detection range with no detection omission and little overlapping of detection ranges based on the depression angle before the change and the width L of the parallel beam PB. Can be determined. Also in this case, the
本発明の第2の実施形態について説明する。本実施形態においても、先の実施形態と同じ球形の送受波器1(図1)を備えたスキャニングソナー(図4)が用いられる。先の実施形態では、所定の俯角αの送信ビームTBを用いて送受波器1の周囲の探知が行われたが、本実施形態では、図13と同様に縦方向の探知が行われる。
A second embodiment of the present invention will be described. Also in this embodiment, the scanning sonar (FIG. 4) provided with the same spherical transducer 1 (FIG. 1) as the previous embodiment is used. In the previous embodiment, detection around the transmitter /
図9(a)は、送信ビーム(不図示)が放射された鉛直面内における各方位の受信ビームRB1〜RB5を示す図である。図9(b)は、スキャニングソナーの表示部14に表示される探知画像を示す図である。図において、50は海面、51は海底、F1,F2は海底51の近くにいる魚群、P1〜P5は海底51の位置を示す。P1は送受波器1の鉛直下方の位置である。Q3,Q4は、送受波器1からの距離がそれぞれP3,P4と等しい位置である。また、受信ビームRB2,RB3と受信ビームRB4,RB5とは、受信ビームRB1に対して左右対称であるので、受信ビームRB4,RB5については説明を省略する。次に、図9と図13との関係について説明する。魚群F1、F2の位置は両図で同じである。図9の受信ビームRB1は図13の受信ビームRB11と同じである。図9の受信ビームRB2,RB3は図13の受信ビームRB12を2つに分割したものである。
FIG. 9A is a diagram showing the reception beams RB1 to RB5 in each direction in the vertical plane from which the transmission beam (not shown) is emitted. FIG. 9B is a diagram illustrating a detection image displayed on the
また、受信ビームRB1〜RB3の上下方向の広がり角θV1〜θV3には、下記の式(3)に示す関係が成立する。
θV1>θV2>=θV3 (3)
θV2がθV3以上となっているのは、受信ビームRB2,RB3は互いに隣接する受信ビームであり、広がり角θVの制御の都合で両者が等しくなる場合があるからである。尚、図示はされていないが、本実施形態でも、受信ビームRBの左右方向の広がり角θHは一定に保持されると共に、受信ビームRBの指向特性の主軸は送信ビームの放射面内に存在する。また、本実施形態の上下方向の広がり角θV、左右方向の広がり角θHは、それぞれ送信ビームの放射面内における広がり角、放射面に直交する方向における広がり角とも表現できる。それに対し、先の実施形態の上下方向の広がり角θV、左右方向の広がり角θHは、それぞれ送信ビームの放射面に直交する方向における広がり角、放射面内における広がり角とも表現できる。
Further, the relationship shown in the following formula (3) is established in the vertical spread angles θ V1 to θ V3 of the reception beams RB1 to RB3.
θ V1 > θ V2 > = θ V3 (3)
theta V2 that has a theta V3 or more, the reception beam RB2, RB3 is a reception beam adjacent to each other, there is a case where both are equal on account of the control of the spread angle theta V. Although not shown, in this embodiment as well, the horizontal spread angle θ H of the reception beam RB is kept constant, and the main axis of the directivity of the reception beam RB exists in the radiation plane of the transmission beam. To do. In addition, the vertical spread angle θ V and the horizontal spread angle θ H in this embodiment can be expressed as a spread angle in the radiation plane of the transmission beam and a spread angle in a direction perpendicular to the radiation plane, respectively. On the other hand, the vertical spread angle θ V and the horizontal spread angle θ H in the previous embodiment can be expressed as a spread angle in a direction orthogonal to the radiation plane of the transmission beam and a spread angle in the radiation plane, respectively.
図9と図13との対応関係から、位置P1においては、海底51の画像G0および魚群F1の画像G1は、図13(b)と同様に表示部14に表示される。一方、受信ビームRB2、RB3の広がり角θV2、θV3は、図13の受信ビームR12の広がり角θV11の略半分になっているので、海底51からのエコー信号の影響を受ける領域、すなわち送受波器1、P3間の距離を半径とする円弧S3の右側の部分および送受波器1、P4間の距離を半径とする円弧S4の右側の部分が、図13の海底51からのエコー信号の影響を受ける領域(円弧S31の右側の部分)よりも小さくなる。この結果、図13では海底51からのエコー信号の影響を受ける領域に位置していた魚群F2が、図9では海底51からのエコー信号の影響を受けない領域に位置することとなり、魚群F2の画像G2が表示部14に表示される。また、同様の理由で、位置P3〜P5における、海底51からのエコー信号の画像G0の厚さは、図13の場合よりも薄くなる。
From the correspondence between FIG. 9 and FIG. 13, at the position P1, the image G0 of the
本実施形態では、受信ビームRBの方位が鉛直下方から離れるに従って(受信ビームRBの方位と鉛直下方とのなす角が大きくなるに従って)、受信ビームRBの上下方向の広がり角θVが小さくなるようにしている。この結果、鉛直下方から離れた方位の受信ビームRB2,RB3においても、海底51からのエコー信号の影響を受ける領域が小さくなり、すなわち海底51からのエコー信号によって海底51の近くの魚群の探知が妨げられる範囲が狭くなり、従来、探知することができなかった海底51近くの魚群を探知することが可能となる。
In the present embodiment, (according to the angle increases the azimuth and vertically below the receiving beam RB) orientation of the receive beam RB is the distance from the vertically downward, so that the vertical divergence angle theta V reception beam RB is reduced I have to. As a result, even in the reception beams RB2 and RB3 with the azimuth away from vertically below, the area affected by the echo signal from the
次に、受信ビームの制御方法について説明する。図10は、本実施形態の係数テーブルおよび広がり角テーブルの一例を示す図である。図において、位相補正量θCおよびウエイトwの最初の添字は受信ビーム信号の番号を示し、2番目の添字はチャンネルの番号を示す。本実施形態では、図9(a)に示すように、各方位の受信ビームRBの上下方向の広がり角θVは、探知距離に関係なく一定である。従って、係数テーブル61aには、受信ビーム信号ごとに、各チャンネルの受信信号の位相補正量θCおよび各チャンネルの受信信号に乗算するウエイトwが記憶されており、先の実施形態の係数テーブル61(図5)のように、サンプルデータごとにはウエイトwは記憶されていない。 Next, a reception beam control method will be described. FIG. 10 is a diagram illustrating an example of the coefficient table and the spread angle table of the present embodiment. In the figure, the first subscript of the phase correction amount θ C and the weight w indicates the number of the received beam signal, and the second subscript indicates the channel number. In the present embodiment, as shown in FIG. 9 (a), spread angle theta V in the vertical direction of the reception beam RB for each orientation is constant regardless of the detection distance. Therefore, the coefficient table 61a stores, for each received beam signal, the phase correction amount θ C of the received signal of each channel and the weight w by which the received signal of each channel is multiplied. The coefficient table 61 of the previous embodiment. As shown in FIG. 5, the weight w is not stored for each sample data.
一方、図9(a)に示すように、各方位の受信ビームRBの上下方向の広がり角θVは、受信ビームRBの方位に応じて異なる。従って、広がり角テーブル62aには、海底51からのエコー信号の影響を受ける領域を所定の大きさ以下にする、上下方向の広がり角θVが受信ビーム信号ごとに記憶されている。この広がり角テーブル62aは、先の実施形態と同様に、制御部3によって生成され、受信ビーム形成部11のDSP部11gのメモリに書き込まれる。また、係数テーブル61aも、先の実施形態と同様に、DSP部11gによって生成され、係数メモリ11fに書き込まれる。そして、この係数テーブル61aを用いて受信ビーム信号を受信ビーム形成部11で生成することで、図9(a)に示す受信ビームRBが形成される。
On the other hand, as shown in FIG. 9A, the vertical spread angle θ V of the reception beam RB in each direction varies depending on the direction of the reception beam RB. Therefore, the spread angle table 62a, to less than a predetermined size the area of influence of the echo signal from the
以上述べた実施形態においては、球形の送受波器1を用いたスキャニングソナーについて説明したが、図11および図12(a)に示す円筒型の送受波器Tを備えたスキャニングソナーでも、本発明を実施することができる。但し、円筒形の送受波器Tでは、真下方向へは送信ビームおよび受信ビームを形成できないので、真下付近は探知対象外となる。また、上記第1の実施形態では、図7に示すように、所定の俯角αの傘形の送信ビームTBが用いられる場合について説明したが、送信ビームの俯角が0度である場合であっても、本発明を実施することができる。
In the embodiment described above, the scanning sonar using the
さらに、上記第2の実施形態では、受信ビームRBの左右方向の広がり角θHを一定の角度に保持するようにしたが、第1の実施形態のように、探知距離が長くなるに従って広がり角θHを小さくするようにしてもよい。さらに、上記第2の実施形態では、鉛直面内において形成された送信ビームを用いて縦方向の探知を行う場合について説明したが、送信ビームが鉛直面に対して所定の角度で傾斜している場合にも、本発明を適用することができる。その場合には、受信ビームも当該傾斜した面において形成される。また、上記の傾斜角度が大きくなると、受信ビームRBの方位と鉛直下方(正確に表現すると、送信ビームの放射面の中心角の2等分線)とのなす角が大きくなるに従って、受信ビームRBの左側と右側とで海底からのエコーを受信するタイミングの差が大きくなり、海底近くの魚群を探知できなくなるという問題が生じる。従って、そのような場合には、受信ビームRBの方位と鉛直下方とのなす角が大きくなるに従って、受信ビームRBの左右方向の広がり角θHを小さくすることが望ましい。 Further, in the second embodiment, the horizontal spread angle θ H of the reception beam RB is maintained at a constant angle. However, as the detection distance becomes longer as in the first embodiment, the spread angle is increased. You may make it make (theta) H small. Furthermore, in the second embodiment, a case has been described in which the transmission beam formed in the vertical plane is used for detection in the vertical direction, but the transmission beam is inclined at a predetermined angle with respect to the vertical plane. Even in this case, the present invention can be applied. In that case, the reception beam is also formed on the inclined surface. Further, as the inclination angle increases, the reception beam RB increases as the angle between the azimuth of the reception beam RB and the vertically downward direction (in other words, the bisector of the central angle of the radiation surface of the transmission beam) increases. The difference in the timing of receiving echoes from the seabed between the left side and the right side of the seawater increases, causing a problem that it becomes impossible to detect a school of fish near the seabed. Therefore, in such a case, received according to the angle between the azimuth and vertically below the beam RB is large, the reception beam RB in the lateral direction of it is desirable to reduce the spread angle theta H.
1 送受波器
2 振動子
3 制御部
6 送信ビーム形成部
9 A/D変換器
11 受信ビーム形成部
13 画像処理部
14 表示部
61,61a 係数テーブル
62,62a 広がり角テーブル
DESCRIPTION OF
Claims (8)
前記受信制御手段は、前記送受波器から所定の俯角で傘形の送信ビームが送信された場合に、前記受信ビームの俯角が、前記送信ビームの送信方向の探知距離にかかわらず一定で前記送信ビームの俯角と等しくなるように制御すると共に、前記放射面に直交する方向における前記受信ビームの広がり角を前記探知距離が長くなるに従って小さくなるように制御し、前記放射面内における前記受信ビームの広がり角を一定に保持するように制御することを特徴とするスキャニングソナー。 A transmitter / receiver in which a plurality of transducers are arranged in an azimuth direction and an orthogonal direction orthogonal to the azimuth direction, and a plurality of transducers are driven to transmit an ultrasonic transmission beam having a predetermined depression angle to each azimuth of a radiation surface in water Transmission control means for transmitting, reception control means for synthesizing reception signals received by a plurality of transducers to form signals of reception beams according to orientations, and display unit for detecting detection information of a detection object based on the signals In a scanning sonar comprising display control means for displaying on
The reception control means is configured such that when an umbrella-shaped transmission beam is transmitted from the transducer at a predetermined depression angle, the depression angle of the reception beam is constant regardless of the detection distance in the transmission direction of the transmission beam. controls to be equal to the depression angle of the beam, the said detection range of the spread angle of the receive beam in a direction perpendicular to the radiation surface is controlled to be smaller as long, of the receive beam in the radiation plane A scanning sonar characterized by controlling the divergence angle to be kept constant.
前記受信制御手段は、前記放射面に直交する方向における各探知距離での前記受信ビームの幅が一定となるように当該方向における当該受信ビームの広がり角を制御することを特徴とするスキャニングソナー。 The scanning sonar of claim 1 ,
The scanning sonar characterized in that the reception control means controls a spread angle of the reception beam in the direction so that a width of the reception beam at each detection distance in a direction orthogonal to the radiation surface is constant.
前記合成される受信信号は所定の周期でサンプリングされ、前記受信制御手段は、サンプリングされたデータごとに前記放射面に直交する方向における前記受信ビームの広がり角を制御することを特徴とするスキャニングソナー。 The scanning sonar according to claim 1 or 2 ,
The reception signal to be synthesized is sampled at a predetermined period, and the reception control means controls a spread angle of the reception beam in a direction orthogonal to the radiation surface for each sampled data. .
前記受信制御手段は、前記放射面に直交する方向における前記受信ビームの広がり角を当該受信ビームの形成に寄与する前記直交方向に配列された振動子の受信信号の数を増減することによって制御することを特徴とするスキャニングソナー。 The scanning sonar of claim 1 ,
The reception control means controls the spread angle of the reception beam in a direction orthogonal to the radiation surface by increasing or decreasing the number of reception signals of the transducers arranged in the orthogonal direction that contribute to the formation of the reception beam. Scanning sonar characterized by that.
前記受信制御手段は、前記送受波器から前記放射面内に扇形の送信ビームが送信された場合に、前記受信ビームの主軸が前記放射面と一致するように制御すると共に、前記放射面内における前記受信ビームの広がり角を当該受信ビームの方位と鉛直下方とのなす角が大きくなるに従って小さくなるように制御し、前記放射面に直交する方向における当該受信ビームの広がり角を一定に保持するように制御することを特徴とするスキャニングソナー。 Transmitter / receiver in which a plurality of transducers are arranged in the azimuth direction and an orthogonal direction orthogonal to the azimuth direction, and the plurality of transducers are driven to tilt the ultrasonic transmission beam at a predetermined angle with respect to the vertical plane or the vertical plane Transmission control means for transmitting to each azimuth of the underwater radiation surface that is the inclined surface, reception control means for combining the reception signals received by the plurality of transducers to form reception beam signals for each azimuth, In a scanning sonar comprising display control means for displaying detection information of a detection object on a display unit based on a signal,
When the fan-shaped transmission beam is transmitted from the transducer to the radiation surface , the reception control means controls the main axis of the reception beam to coincide with the radiation surface, The divergence angle of the reception beam is controlled so as to decrease as the angle formed between the azimuth of the reception beam and the vertical downward direction increases, and the divergence angle of the reception beam in a direction orthogonal to the radiation surface is kept constant. Scanning sonar characterized by controlling to.
前記受信制御手段は、前記放射面に直交する方向における前記受信ビームの広がり角を一定に保持することに代えて、当該広がり角を探知距離が長くなるに従って小さくなるように制御することを特徴とするスキャニングソナー。 The scanning sonar of claim 5 ,
The reception control means controls the divergence angle to become smaller as the detection distance becomes longer, instead of keeping the divergence angle of the reception beam in a direction orthogonal to the radiation plane constant. Scanning sonar.
前記受信制御手段は、前記放射面に直交する方向における前記受信ビームの広がり角を一定に保持することに代えて、当該広がり角を前記受信ビームの方位と鉛直下方とのなす角が大きくなるに従って小さくなるように制御することを特徴とするスキャニングソナー。 The scanning sonar of claim 5 ,
The reception control means replaces the divergence angle of the reception beam in a direction orthogonal to the radiation plane with a constant angle as the angle between the azimuth of the reception beam and the vertically downward direction increases. A scanning sonar that is controlled to be small.
前記受信制御手段は、前記放射面内における前記受信ビームの広がり角を当該受信ビームの形成に寄与する前記方位方向に配列された振動子の受信信号の数を増減することによって制御することを特徴とするスキャニングソナー。 The scanning sonar of claim 5 ,
The reception control means controls the spread angle of the reception beam in the radiation plane by increasing or decreasing the number of reception signals of the transducers arranged in the azimuth direction that contribute to the formation of the reception beam. Scanning sonar.
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