JPH0198983A - 水中探知装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 ｆａｌ産業上の利用分野 この発明は、超音波送受波器を中心として扇形状の領域
に存在する魚群や水底などの状態を探知する水中探知装
置に関する。

（ｂ）従来の技術 従来、魚群や水底の状態を探知する装置として、船底に
取りつけた超音波送受波器を用いて水中の扇形状の領域
を探知し、これを表示する水中探知装置いわゆるソナー
が用いられている。例えば第９図に示すように、船底に
取りつけられた超音波送受波器から自船の船首方向に直
角な扇形状の超音波パルスを出力し、水中および水底か
らの反射波を扇形状の各方向に指向性を有する超音波受
波器で受信することによって、水中の状態を２次元で探
知し、これを表示している。

（Ｃ）発明が解決しようとする問題点 このような従来の水中探知装置では、第９図において実
際の水底が破線で示すように直線（平坦）であったとし
ても、表示の上では実線で示すように例えば楕円弧状に
なる。これは従来の超音波探知装置が水中音速を水中の
全ての点で一定であるとみなしているからである。すな
わち水中音速は水温や水圧などによって変化するため、
水温や水圧の分布によって超音波が屈折するためである
この発明は、水中音速の不均一性を考慮して超音波の屈
折による影響を補正して正確な水中の状態を探知できる
ようにするとともに、このような補正を簡単な構成で行
うようにして容易に実現できるようにした水中探知装置
を捉供することを目的としている。

＋ｄ１問題点を解決するための手段 この発明の水中探知装置は、水中の扇形状の領域を探知
する超音波送受波器と、この超音波送受波器の極座標探
知情報を記憶する探知メモリと、この探知メモリの内容
を読み出し、直交座標系の画像データを生成する画像デ
ータ生成手段を備えた水中探知装置において、 画像データ生成手段に、水面または所定水深の水温を計
測する水温計測手段と、前記水温により探知情報の超音
波屈折分を補正して、前記探知メモリの内容を読み出す
屈折補正手段を設けたことを特徴としている。

ｆｅ１作用 この発明の水中探知装置においては、超音波送受波器は
水中の扇形状の領域を探知し、探知メモリは超音波送受
波器の極座標探知情報を記憶し、画像データ生成手、段
は探知画像メモリの内容を読み出し、直交座標系の画像
データを生成する。これにより水中の扇形状の領域を直
交座標系の画像データとして求める。このような水中探
知装置において画像データ生成手段に設けられた水温計
測手段は水面または所定水深の水温を計測し、屈折補正
手段は前記水温により探知情報の超音波屈折分を補正し
て前記探知メモリの内容を読み出す。

次に超音波の屈折補正について順をおって説明する。

水深ｙにおける音速Ｃ（ｙ）は実験式として（１）弐で
与えられる。

Ｃ（ｙ）−０１＋ａｌ　ｔ−ａ２　ｔ２＋ｂ、ｓ＋ｐｙ
　　　　　　−（１） ここでｔは水温、Ｓは塩分濃度、ａＩ＋　　ａ２＋ｂ、
、ｃｌ、ｐはいずれも正の定数である。

（１）式よりＣ（ｙ）を求めるためにはｔおよびＳを求
めなければならない。このために水中に水温計、塩分濃
度計および深度計を投げ込むことによって、ｙに対する
ｔおよびＳを求めることができるが、Ｓは大洋において
は一定とみなし、ｔも潮目などの特殊な海域を除く大洋
においては表面水温ｔ０と水深ｙによる関数ｆ（ｙ、ｔ
ｏ）により予測可能である。よって以下においてはＣ（
ｙ）を求めるためにｔｏのみを測定する。

船首方向を２とし、第１０図に示すように水平方向をＸ
、水深方向をｙとすれば、超音波送受波器の送受波面は
座標原点Ｏにある。送受波ビームはｙ軸を中心としてｘ
−ｙ平面上に存在し、その広さは２θ。である。ただし
２θ。は後述の表面音速をＣ８とじた設計時の値である
。

いま、送波器からｘ−ｙ平面上の点Ｓに到達し、受波器
へ戻る超音波を考える。このとき超音波の往復経路は同
一である。送波器からｙ軸に対してθの角度で発射され
た超音波ビームは途中屈折しながら点Ｓに工１１達する
。点Ｓと原点を結ぶ直線のｙ軸に対してなす角度をφと
する。ここでθもφもＸの正の方向を正とする。なお、
ここでは超音波の表面音速をＣ０と仮定したが、実際の
表面音速と異なる場合があるため上記θの値も仮定であ
る。

超音波の往復時間をτとすればφ、θ、ｙ、τは次式で
示される。

ｓｉｎ　φ−（Ｃａ　（）’＋　　ｔｏ　）　／　Ｃｏ
　］　ｓｉｎ　θＹ−（Ｃａ　（”／、　　ｔｏ　）　
　・ｒ／　２）　ｃｏｓ　φここでＣ，（ｙ）は平均音
速であり次式で表さ以上のように第１０図に示した３点
は実際にはφ方向のＣ−（ｙ、ｔｏ　）　　・τ／２の
距離にあるにも関わらず、補正しなければθ方向のＣ８
・τ／２のＳ′点にあるように見える。

この発明では反射波の強度を極座標で探知画像メモリへ
記憶させた後、直交座標の画像データに変換されるが、
ここで極座標を距離の代わりに時間Ｔを使用し、角度を
θとすれば、Ｔ、θと前記τ、θの関係は次式で表され
る。

Ｔ＝Ｆ・τ　　　　　　　　　　　−（５）θ−Ｇ（θ
。＋θ）　　　　　　　　　−（６１ここでＦは探知信
号の距離方向のサンプリング時間の逆数であり、Ｇは角
度方向のサンプリング時間の逆数である。

直交座標をＸ、Ｙとすれば、Ｘ、Ｙと上記Ｘ。

ｙの関係は次式で表される。

ｘ＝ＡＸ＋Ｂ　　　　　　　　　　　’−（７）ｙ　＝
　Ｄ　Ｘ　＋　Ｅ　　　　　　　　　　　−（８１ここ
でＡ−Ｅは変換すべき直交座標系の画像範囲で決まる定
数である。

ｘ、ｙに対応するＴ、θは以下のようにして求められる
。

（２）式および（６）式より θ−Ｇ［Ｃｏ　＋ｓｉｎ　−’　（（Ｃｏ　／Ｃａ　（
ｙ＋１　ｏ　））　　・ｓｉｎ　　φ）　コ　　　　　
　　−（９）＝Ｇ［Ｃｏ　　＋ｓｔｎ　−＋　（（Ｃｏ
　／　Ｃａ　（ｙ。

ｔｏ））　・ｘｌ／　　ｘ”＋ｙｓ”）］　　ＱＯＩこ
こでｙＭは第１０図に示したようにｙの最大値、すなわ
ち観察したい範囲内の最深深度、Ｘ′は原点とＳを結ぶ
線を延長したときｙ−ｙＭと交わる点のＸの値である。

（３）式および（５）式より Ｔ＝２Ｆｙ／　（Ｃａ　（ｙ、ｔｏ　）−ＣＯ５φ）−
００ここでｃｏｓ　φ−ｙ＋＜／Ｊ７７７］石−アであ
るから、 Ｔ＝　（２−Ｆ／Ｃａ（ｙ、ｔｏ　））（ｙ／ｙ）ｌ）
、Ｌ璽〒了３’Ｍ”　　　　　　　　　Ｑ巧以上のよう
に（７）式、（８）式、（１０）式、（１２）式を用い
て直交座標のデータＸ、Ｙとともに水温データｔ。を与
えることによって超音波の屈折部分を補正した極座標Ｔ
、θを求め、前記探知メモリの内容を読み出す。

（ｆｌ実施例 第４図はこの発明の実施例である水中探知装置の超音波
送受波器の位置関係を表す図であり、第５図はその超音
波送受波器によって構成される送受波ビームを示してい
る。第４図に示すように船首方向に送波器が５個と、船
首方向と直角な方向に受波器かに個配列されている。後
述するように送波器は５個の全振動子を同時に駆動して
超音波パルスを送波するため、船首方向に直角な平面内
に一定角度の広がりを有する送波ビームが形成され、受
波器はに個の各振動子の発生電圧を所定の位相で合成す
ることによって扇形状の各方向からの反射波を順次選択
的に受ける受波ビームを形成する。第５図はこのような
送波ビームと受波ビームの合成により得られる設計時の
送受波ビームである。ここで送波ビームはφ、×２θ７
、受波ビームをφ７×２θ０で表すことができる。２θ
アは船首方向に直角な方向の送波ビーム角（２θ１〉２
θ０）であり、φ７は船首方向の受波ビーム角（φ、〉
φ、）である。なお、受波ビームは２θ。方向にＭ分割
され、Ｍ個のφ８×Δθ。の小ビームより構成されてい
る。すなわち、２θ。−Ｍ×Δｅｏであり、この受波ビ
ームは第５図に示すように左舷から右舷にＯから（Ｍ−
１）まで並んでいる。なお、（６）式のＧはＧ　””　
Ｍ　／　２　’ａ　。

の関係で表され、θは受波ビームの番号と同一である。

第１図はこの発明の実施例である水中探知装置のブロッ
ク図である。全体の概略動作は次の通りである。

送波器８から出力された超音波は水中の物体で反射され
、受波器９で受信される。受波器９で発生した探知信号
は受信アンプ群３、位相合成回路４およびＡ／Ｄコンバ
ータ５を経て極座標メモリである探知メモリ６に記憶さ
れる。探知メモリ６に記憶された探知信号は、座標変換
器２８を介して超音波の屈折が補正されるとともに座標
変換が行われ、直交座標メモリである表示メモリ１３に
転送され記憶される。表示メモリ１３に記憶された探知
信号は表示器１６に表示される。

以下各部の動作を詳述する。

送信器１はＹカウンタ３１が出力する送信パルスにより
、予め定められた出力、パルス幅および周波数の超音波
パルス信号を送波器８の３個の振動子に与え水中に超音
波パルスを発射する。このとき、各振動子は同時に励振
されて前述の送波ビームが発生する。そして、水中の物
体から反射された探知信号は、受波器９のに個の振動子
で受波されたのち、受信アンプ群３により増幅される。

受信アンプ群３は受波器９の振動子と同数のに個の受信
アンプで構成され、入力されている送信パルスのタイミ
ングによって、探知信号の距離による減衰を補正するＴ
ＶＧ回路が構成されている。

位相合成回路４はに個の探知信号を位相合成し、Ｍ個の
受波ビームを作り出し、角度カウンタ２４の計数値が示
す（設計時の）方向の探知信号を検波出力する。位相合
成法としては、遅延線を使用するもの、位相が異なる正
弦波を乗算するもの、あるいはＦＦＴ（高速フーリエ変
換）を使用するものなどがある。

検波された探知信号はＡ／Ｄコンバータ５でディジタル
コードに変換されて探知メモリ６に記憶される。探知メ
モリ６のアドレスは角度カウンタ２４と時間カウンタ２
５とによって指定される。

位相合成回路４は角度カウンタ２４の値によって受波ビ
ームの指向方向の選択動作を行い、等時間上にあ不探知
物体からの反射波を時系列化して送出する。したがって
、位相合成回路４から送出される時系列データは角度デ
ータと時間データの極座標データで表され、角度データ
と時間データとによって指定される探知メモリ６のアド
レスに時系列化された探知信号が順次記憶される。

第７図（Ａ）は探知メモリ６のメモリ空間を表す概念図
であり、第６図は探知メモリのアドレスと水中の位置と
の関係を表す概念図である。第７図（Ａ）に示すように
例えば縦軸方向のアドレスが（設計時の）各方向の受波
ビームに対応し、横軸方向のアドレスが各受波ビームに
おける探知物体までの時間に対応する。したがって、探
知メモリの縦軸は極座標の角度に相当し、横軸は時間に
相当する。

探知メモリ６には、第５図に示したＯあるいはＭ−１の
受渡ビームでも水深がｙＭ　（第１０図参照）に到達し
、反射できるに十分な時間Ｔ、４まで記憶される。よっ
て、探知メモリ６の容量はＡ／Ｄコンバータ５の出力ビ
ツト数をαとすると、Ｍ・Ｆ−Ｔ、　　・αである。ま
た、角度カウンタ２４はＭ進、時間カウンタ２５はＦ−
ＴＭ進カウンタである。（第７図（Ａ）参照）。

探知メモリ６に書き込まれた記憶データは座標変換器２
８によってアドレスが指定されたとき、その記憶データ
が読み出される。

探知メモリ６の書込と続出はフリップフロップ２７のＱ
出力によって行われ、第３図に示すように、送信パルス
ａから信号読取完了パルスｂまでのＴ。期間は探知信号
の記憶動作が行われ、信号取込完了パルスｂから次の送
信パルスａまでのＴ、期間は信号の読み出しが行われる
。すなわち、ＴＷｙ、ｕ間はフリップフロップ２７のＱ
出力が“Ｈ゛°°レベル持され、これにより探知メモリ
６が書込モードに切り換えられ、角度カウンタ２４゜時
間カウンタ２５のアドレスデータが切換スイッチ７を経
て探知メモリ６に導かれる。その後、ＴＲ期間になると
、フリップフロップ２７のＱ出力が“Ｌ”レベルに変化
して探知メモリ６が読み出しモードに切り換わると同時
に切換スイッチ７が切換動作を行い、座標変換器２８の
アドレスデータによって記憶データの読み出しが行われ
る。Ｘカウンタ３０とＸカウンタ３１はＸ、Ｙ座標上の
位置を指定し、座標変換器２８はそのＸ、Ｙ座標上の位
置を極座標上の位置に変換する際、表面水温計２９より
得た表面水？ＭＬｊ　ｏに基づいて後述する方法によっ
て超音波の屈折分を補正する。

探知メモリ６から読み出された記憶データは表示メモリ
１３へ出力されて記憶される。表示メモリ１３における
アドレスの指定はＸカウンタ３０とＸカウンタ３１の値
によって行われる。カウンタ３０，３１はともにＮ進カ
ウンタであり、Ｘカウンタ３１はＸカウンタ３０の桁上
げパルスをカウントする。したがって、表示メモリ１３
のメモリ空間は第７図（Ｂ）に示すようにＮＸＮで表さ
れる直交座標の画像データが記憶される。

Ｘカウンタ３０は分周回路３４からゲート回路３３を経
て導かれるパルスをカウントする。ゲート回路３３はフ
リップフロップ２７のＱ出力に基づいて探知メモリ６の
記憶データが読み出されている間導通して分周回路３４
のパルス列をＸカウンタに与える。なお、Ｙカウンタ３
１の計数値がＮ−１からＯになるとき、Ｙカウンタ３１
から送信パルスが発生する。これによりフリップフロッ
プ２７がセントされる。フリップフロップ２７がセット
されると、そのＱ出力によってゲート２３が導通してク
ロックパルス源２２のクロックパルスが角度カウンタ２
４に与えられる。ここでクロックパルスの周期をＴ３と
すると、（５）弐のザンブリング周波数ＦはＦ＝１／（
ＴＳ　　・Ｍ）となる。

以上の繰り返しによって第３図に示したように探知メモ
リ６に対する信号の取り込みと読み出しが交互に行われ
る。

表示メモリ１３から読み出されたデータはＤ／Ａコンバ
ータ１５によってアナログ信号に変換された後、表示器
１６へ出力されて表示される。表示器１６は水平走査回
路１７と垂直走査回路１８によって画素走査が行われる
。水平走査回路１７、垂直走査回路１８は水平走査カウ
ンタ３７．垂直走査カウンタ３８の値に対応して画素走
査を行う。

なお、表示メモリ１３の書き込みと読み出しはクロック
パルス源３６のクロックパルスによって切り換えられ、
例えば、クロックパルスの半周期は続出モード、他の半
周期は書込モードに切り換えられる。この切り換えに連
動して切換スイッチ１４が切換動作を行い、Ｘカウンタ
３０．Ｙカウンタ３１の書込アドレスデータと、水平走
査カウンタ３７．垂直走査カンウタ３８による続出アド
レスデータが切え換えて導かれる。また、クロックパル
ス源３６のパルス列は分周回路３４によって分周されて
、Ｘカウンタ３０に導かれ、これによって表示メモリ１
３の書込モードと読出モードの切換を円滑に行わせてい
る。

次に第１図に示した座標変換器２８について説明する。

この座標変換器はＲＯＭＩ〜ＲＯＭ４といくつかの加算
回路と乗算回路とから構成され、次の構成によって超音
波の屈折の補正とともに座標変換を行う。

ＲＯＭＩに、予想される全ての表面水温ｔ。と全ての水
深ｙ（０〜ｙＭ）に対して Ｃｏ　、’ｃ、（）’、ｔｏ） および （２Ｆ／Ｃ−（ｙ、ｔｏ　））ｙ／ｙＭの値を予め計算
し、記憶しておく。

ＲＯＭ２にｙ　Ｍ　／　ｙの値を全てのｙに対して予め
計算し記憶しておく。

ＲＯＭ３にｙ＝３’Ｍ上の全てのＸ′に対してｘ′／Ｆ
１１丁７９ および ５璽τ］７７ を予め計算して記憶しておく。

ＲＯＭ４に（１０）式において（）で示した内容の予想
される全ての値に対してθを予め計算し記憶しておく。

第２図は上記４つのＲＯＭといくつかの加算器と乗算器
を組み合わせて構成した座標変換器のブロック図である
。上記４つのＲＯＭをテーブルとして使用することによ
って、Ｘ、Ｙの直交座標の位置データと表面水温ｔ。を
入力することによって極座標の位置データＴ、θを求め
ることができる。ココテ特徴はＲＯ’Ｍ　１にＣＩｌ　
（ｙ、ｔｏ）係数を記憶させたことであり、ＲＯＭ２．
ＲＯＭ３、ＲＯＭ４によって直交座標を極座標に変換す
るとともに、表面水温ｔ０と水深ｙで指定されるＲＯＭ
Ｉの内容によって超音波の屈折骨が補正される。

ここで、ＲＯＭ１〜ＲＯＭ４及び乗算器などによりｘ、
ｙに対応するＴ、θを求めなくても、（１０）式および
（１２）式を使用してｘ、ｙに対応するＴ、θを直接Ｒ
ＯＭに記憶することが考えられる。ところがこの場合の
ＲＯＭ容量は非常に大きくなる。例えばθ。＝６０°、
ｙＭ−１０００ｍ、ｔｏ−０〜３０°Ｃとして、Ｘおよ
びｙを１ｍ毎、ｔｏをｌ″Ｃ毎、θを１°毎、Ｔを１ｍ
を音速Ｃ８で往復する時間毎とすれば、Ｘ方向は３４６
４点（２Ｘ１０００Ｘｔａｎ６０°）、ｙ方向は１００
０点で表され、Ｔは最大２０００ｍに相当する時間であ
り１１ビツトで表し、Ｏを７ビツトで表せば、 Ｍ＝１０００Ｘ３４６４Ｘ３１Ｘ（７＋ＬＬ）＝１９３
２．９ｘｌＯ６ つまり約２０００Ｍビットを必要とし実現不可能である
。

これに対し上記実施例における４つのＲＯＭ容量は次の
とおりである。

ＲＯＭＩの容量Ｍ１は、 ｃｏ　／ｃ、（ｙ、ｔｏ） の値を１６ビツトで記憶し、 （２Ｆ／Ｃ，（ｙ、ｔｏ）ｌ　ｙ／ｙｓの値を３２ビツ
トで記憶すれば、ｙは１０００点、ｔｏは３１点である
ため、 Ｍ１＝１０００Ｘ３１Ｘ　（１６＋３２）＝１．４９Ｍ
ビット である。

ＲＯＭの容量Ｍ２は、データを１６ビツトで記憶すると
すれば Ｍ２＝１０００Ｘ１６ −１６にビット である。

ＲＯＭ３の容量Ｍ３は、２つのデータをそれぞれ１６ビ
ツトで記憶すれば、 Ｍ３＝３４６４Ｘ　（１６＋１６） ＝１１０．９にビット ＲＯＭ４の容量Ｍ４は、（１０）式で示した（）を１６
ビツトとし、θを７ビツトとすれば、Ｍ　４　＝　２　
Ｉ６Ｘ　７ ＝４５８．８にビット である。このようにＲＯＭＩ〜ＲＯＭ４の容量は小さく
実現可能である。

次にこの発明の他の実施例を示す。

上記実施例はＲＯＭＩ〜ＲＯＭ４に予め固定されたデー
タを記憶しておき、これらをテーブルとして用いること
によって超音波の屈折分の補正とともに座標変換を行う
例であったが、表面水温ｔ０に応じてその都度ＲＡＭ上
にテーブルを作成し、これによって超音波の屈折分の補
正と座標変換を行うことができる。

第８図はその場合の座標変換器のブロック図である。全
体の制御はＣＰＵ４０のプログラム処理によっておこな
われ、ＲＯＭ４２にはそのプログラムが予め書き込まれ
ている。ＲＡＭ４３はワーキング用メモリである。テー
ブル用ＲＡＭ４４は屈折補正および座標変換のテーブル
として用いられるメモリであり、マルチプレクサ４５を
介してアドレス選択され、マルチプレクサ４６を介して
データの入出力が行われる。ＣＰＵ４０は表面水温計（
第１図に示した２９）から出力される表面水ＩＡｊ　ｏ
をＩ１０ポート４１を介して読み込め、（１０）式と（
１２）式の演算を行い、表面水温ｔｏにおけるｘ、ｙに
対応するＴ、θの値を順次演算し、テーブル用ＲＡＭ４
４に書き込む。アドレスデコーダ４７は入力されたＸ、
Ｙデータと表示設定器４８よりのＡ、Ｂ、Ｄ、Ｅ値に基
づいて（７）弐と（８）式よりテーブル用ＲＡＭ４４の
アドレスｘ、ｙを選択する。これにより読み出ざれたデ
ータをＴ、θとして用いることができる。

なお、表面水温は急激に変化することはないため、表面
水温ｔ。の変化時にのみテーブルの書換を行えばよい。

（ｇ１発明の効果 以上のようにこの発明によれば、探知メモリに取り込ん
だ水中の極座標探知情報を読み出して直交座標の画像デ
ータを生成する際に、計測した水温により探知情報の超
音波屈折分を補正した位置を読み出して座標変換を行う
ように構成したため、簡単な構成で屈折補正を行うこと
ができ、水中あるいは水底の位置を正確に探知すること
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水中探知装置のブロッ
ク図、第２図は同装置の座標変換器のブロック図、第３
図は前記ブロック図の主要部のタイミングを表す図、第
４図は船底に設けられた超音波送受波器の構成を表す図
、第５図は超音波の送受波ビームの構成を表す図、第６
図は探知メモリのアドレスと水中の位置との対応関係を
表す概念図、第７図（Ａ）、（Ｂ）はそれぞれ第１図に
示した探知メモリのメモリ空間１衷示メモリのメモリ空
間を表す図である。第８図は他の実施例に係る座標変換
器のブロック図、第９図は従来の水中探知装置の表示状
態を説明するための図、第１０図はこの発明に係る屈折
補正手段の作用を説明するための図である。 ６−探知メモリ、 ２８−座標変換器、 ２９−水温計測手段、 ６．２８，２９．３０．３１−画像データ生成手段、 ＲＯＭｌ−屈折補正手段。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. （１）水中の扇形状の領域を探知する超音波送受波器と
   、この超音波送受波器の極座標探知情報を記憶する探知
   メモリと、この探知メモリの内容を読み出し、直交座標
   系の画像データを生成する画像データ生成手段を備えた
   水中探知装置において画像データ生成手段に、水面また
   は所定水深の水温を計測する水温計測手段と、前記水温
   により探知情報の超音波屈折分を補正して、前記探知メ
   モリの内容を読み出す屈折補正手段を設けたことを特徴
   とする水中探知装置。