超音波探知装置
【課題】振動子の数が少なくても、グレーティングローブによる偽像を除去して探知対象物の検出精度を向上させることが可能な超音波探知装置を提供する。
【解決手段】受信ビーム信号形成部９ａ，９ｂで形成された２つの受信ビーム信号の位相差を、位相差算出部１１で走査角度ごとに算出し、メインローブ受信信号検出部１２は、位相差算出部１１で算出された位相差の変化態様に基づいて、各走査角度における受信ビーム信号がメインローブで受信された信号かグレーティングローブで受信された信号かを判定し、メインローブで受信された信号に基づく探知対象物の画像を表示し、グレーティングローブで受信された信号に基づく探知対象物の画像を表示しないように制御する。
【解決手段】受信ビーム信号形成部９ａ，９ｂで形成された２つの受信ビーム信号の位相差を、位相差算出部１１で走査角度ごとに算出し、メインローブ受信信号検出部１２は、位相差算出部１１で算出された位相差の変化態様に基づいて、各走査角度における受信ビーム信号がメインローブで受信された信号かグレーティングローブで受信された信号かを判定し、メインローブで受信された信号に基づく探知対象物の画像を表示し、グレーティングローブで受信された信号に基づく探知対象物の画像を表示しないように制御する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、探知対象物で反射した超音波エコーを複数の振動子で受信して探知対象物の画像を表示する超音波探知装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
図２２は、超音波探知装置の一例である水中探知装置で海底地形を探知する様子を示す図である。水中探知装置１００は、海面２００を航行する船舶１５０に搭載されており、船舶１５０の船底に設けられた送受波器１０１を備えている。送受波器１０１は、超音波を送受信する振動子を有しており、船舶１５０の進行方向と垂直な面内において、扇状の超音波送信ビーム（図示省略）を下方に放射し、その後、扇状の探知範囲２０１をペンシル状の受信ビーム１０２により走査する。そして、水中探知装置１００は、受信ビーム１０２の走査により受信された海底２０２からの超音波エコー（以下、単に「エコー」という）を送受波器１０１で受信し、当該受信信号に基づいて探知対象物である海底の画像を表示部に表示する。
【０００３】
図２３は、送受波器１０１の受信時の指向特性を示す図である。ＭＬはメインローブであり、破線は指向特性の主軸を示している。ＧＬはメインローブＭＬの左右に生じるグレーティングローブである。
【０００４】
図２２で示したように、鉛直下方を向いた受信ビーム１０２ａにより送受波器１０１の鉛直下方を探知するとき、海底地点２０２ａからのエコーがメインローブＭＬにより受信されるとともに、海底地点２０２ａよりも遠方の海底地点２０２ｂなどからのエコーがグレーティングローブＧＬにより受信される。この場合、メインローブＭＬにより受信したエコーに加えて、グレーティングローブＧＬにより受信したエコーも鉛直下方から到来したエコーであるとして処理されるため、表示部には、メインローブＭＬで受信したエコーの画像のほかに、グレーティングローブＧＬで受信したエコーの画像も表示される。後者の画像は、本来の探知対象物の画像ではない偽像である。
【０００５】
また、右下方を向いた受信ビーム１０２ｂにより海底地点２０２ｂの方向を探知するとき、海底地点２０２ｂからのエコーがメインローブＭＬにより受信されるとともに、海底地点２０２ａおよびその近辺からのエコーがグレーティングローブＧＬにより受信されるため、この場合も偽像が表示される。
【０００６】
このように、本来の探知対象物の画像とともに偽像が表示されると、水中探知装置１００のオペレータが海底などの探知対象物を誤判定するおそれがある。なお、実際には、メインローブＭＬとグレーティングローブＧＬのほかに、サイドローブも生じるが、図２３ではサイドローブの図示を省略してある。
【０００７】
ところで、送受波器における振動子の配列ピッチをｄ、超音波の波長をλとしたとき、グレーティングローブは、θ＝ｓｉｎ−１（ｎλ／ｄ）の角度に発生することが知られている。例えば、ｄ＝１λの場合はθ＝±９０°の角度にグレーティングローブが発生し、ｄ＝１．２λの場合はθ＝±５６°の角度にグレーティングローブが発生する。また、ビームをティルトさせ、δの方位に整相した場合は、δ±θの方向にグレーティングローブが発生する。現実的にグレーティングローブの影響をなくすためには、振動子の配列ピッチを１λ程度とすればよいが、そうすると振動子の数が非常に多くなってコストが増加することになる。また、球形の送受波器において放射面が円形のランジュバン振動子を配列する場合は、構造上どうしても配列ピッチの粗い部分が生じるため、これに起因してグレーティングローブが発生する。
【０００８】
グレーティングローブを抑制する方法として、例えば下記の特許文献１に示されているような方位別に送信周波数を異ならせる方法や、後処理の画像信号処理において低減を行う方法などが従来から行われているが、これらは複雑な処理を必要とする割には、グレーティングローブの抑制効果が十分ではない。また、下記の特許文献２には、振動子を２つの振動子群に分割して得られる略平行な２つの受信ビームからなるスプリットビームを用い、スプリットビームの位相差が所定値以上の場合は、エコーがサイドローブで受信されたものとして、当該エコーの画像を表示しないようにすることで、サイドローブによる偽像の表示を抑制した超音波探知装置が示されているが、グレーティングローブによる偽像の対策については言及されていない。
【０００９】
【特許文献１】特許第４０５７８１２号公報
【特許文献２】特開２００６−２０８１１０号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
上述したように、従来の超音波探知装置にあっては、振動子の数を低減しようとすると配列ピッチが粗くなって、グレーティングローブが不可避的に発生し、このグレーティングローブによる偽像を除去することが困難であった。
【００１１】
本発明は、上記のような問題点に鑑み、振動子の数が少なくても、グレーティングローブによる偽像を除去して探知対象物の検出精度を向上させることが可能な超音波探知装置を提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
本発明の超音波探知装置は、探知対象物で反射した超音波エコーを複数の振動子で受信し、当該受信信号に基づいて前記探知対象物の画像を表示する超音波探知装置であって、各振動子の受信信号を整相することにより、２つの受信ビーム信号を探知範囲内の走査角度ごとに形成する受信ビーム信号形成部と、この受信ビーム信号形成部で形成された２つの受信ビーム信号の位相差を走査角度ごとに算出する位相差算出部と、この位相差算出部で算出された位相差の変化態様に基づいて、各走査角度における受信信号がメインローブで受信された信号かグレーティングローブで受信された信号かを判定する判定手段と、この判定手段の判定結果に応じて、メインローブで受信された信号に基づく探知対象物の画像を表示し、グレーティングローブで受信された信号に基づく探知対象物の画像を表示しないように制御する制御手段とを備えている。
【００１３】
このようにすると、２つの受信ビーム（スプリットビーム）を用いて、各受信ビーム信号の位相差の変化態様が、メインローブで受信された信号とグレーティングローブで受信された信号とで異なることを利用して、メインローブで受信された信号を抽出することができる。そして、抽出された信号に基づいて探知対象物の画像のみを表示することにより、グレーティングローブで受信された信号に基づく偽像が表示されなくなるため、探知対象物を誤判定するおそれが解消される。その結果、たとえ振動子の数が少なくてグレーティングローブが発生した場合でも、信号処理によってグレーティングローブによる偽像を除去することができ、検出精度が向上する。
【００１４】
本発明では、位相差の変化態様として、位相差特性曲線のゼロクロス点近傍における位相差の変化量を用いることができる。この場合、判定手段は、変化量が所定量以上である場合に、受信信号がメインローブで受信された信号であると判定する。
【００１５】
このようにすると、メインローブで受信された信号のゼロクロス点近傍の位相差変化量が、グレーティングローブで受信された信号のゼロクロス点近傍の位相差変化量より大きいことを利用して、メインローブで受信された信号を抽出することができる。ここで、位相差変化量には、位相差特性曲線の傾きのほか、位相差の変化幅も含まれる。
【００１６】
また、位相差の変化態様としては、位相差特性曲線のゼロクロス点の前後で位相差が所定範囲にわたって変化するときの走査角度幅を用いてもよい。この場合、判定手段は、走査角度幅が所定幅未満である場合に、受信信号がメインローブで受信された信号であると判定する。
【００１７】
このようにすると、メインローブで受信された信号のゼロクロス点近傍の前後の走査角度幅が、グレーティングローブで受信された信号のゼロクロス点近傍の前後の走査角度幅より小さいことを利用して、メインローブで受信された信号を抽出することができる。
【００１８】
本発明では、メインローブで受信された信号かグレーティングローブで受信された信号かの判定に加えて、サイドローブで受信された信号か否かを判定するようにしてもよい。
【００１９】
例えば、位相差の変化態様として位相差の変化量を用いる場合は、前記の所定量として第１の所定量とこれより大きい第２の所定量とを設定し、位相差の変化量が第１の所定量未満であれば、グレーティングローブで受信された信号であると判定し、位相差の変化量が第１の所定量以上で第２の所定量未満であれば、メインローブで受信された信号であると判定し、位相差の変化量が第２の所定量以上であれば、サイドローブで受信された信号であると判定する。そして、グレーティングローブおよびサイドローブで受信された信号に基づく探知対象物の画像を表示しないようにする。
【００２０】
このようにすると、グレーティングローブだけでなくサイドローブで受信された信号に基づく偽像も除去することができるので、検出精度を更に向上させることができる。
【００２１】
また、位相差の変化態様として走査角度幅を用いる場合は、前記の所定幅として第１の所定幅とこれより小さい第２の所定幅とを設定し、走査角度幅が第１の所定幅以上であれば、グレーティングローブで受信された信号であると判定し、走査角度幅が第１の所定幅未満で第２の所定幅以上であれば、メインローブで受信された信号であると判定し、走査角度幅が第２の所定幅未満であれば、サイドローブで受信された信号であると判定する。そして、グレーティングローブおよびサイドローブで受信された信号に基づく探知対象物の画像を表示しないようにする。
【００２２】
この場合も、グレーティングローブだけでなくサイドローブで受信された信号に基づく偽像を除去することができるので、検出精度を更に向上させることができる。
【００２３】
本発明は、受信ビームを走査させずに所定の方位に固定した場合にも適用することができる。この場合、受信ビーム信号形成部は、各振動子の受信信号を整相することにより、２つの受信ビーム信号を探知範囲内の所定方位に形成し、位相差算出部は、受信ビーム信号形成部で形成された２つの受信ビーム信号の位相差を時間軸上で算出し、判定手段は、位相差算出部で算出された位相差の変化態様に基づいて、各時刻における受信信号がメインローブで受信された信号かグレーティングローブで受信された信号かを判定する。
【００２４】
このようにすると、例えばスキャニングソナーにおいてティルト角を一定角度に固定し、受信ビームを所定方位に形成することによって探知を行う場合、時間軸上の位相差に基づきメインローブで受信された信号かグレーティングローブで受信された信号かを判定することができる。
【００２５】
また、本発明においては、位相差算出部で算出された位相差の標準偏差を算出する標準偏差算出部を更に設け、この標準偏差算出部で算出された標準偏差に基づいて、メインローブで受信された信号が魚群による信号か海底または海面による信号かを判定し、海底または海面による信号と判定した場合は、受信ビーム信号の振幅を減衰させるようにしてもよい。
【００２６】
このようにすると、魚群からのエコーは位相差のばらつきが大きく、海底や海面からのエコーは位相差のばらつきが小さいことを利用して、両者を判別することができる。そして、エコーが海底や海面からのものである場合は、受信ビーム信号の振幅を減衰させることで、魚群のエコー画像を明瞭に表示することができる。
【発明の効果】
【００２７】
本発明によれば、振動子の数が少なくても、グレーティングローブによる偽像を除去して探知対象物の検出精度を向上させることが可能な超音波探知装置を提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２８】
以下、本発明の実施形態について、図面を参照しながら説明する。なお、以下の実施形態では、超音波探知装置の一例である水中探知装置に本発明を適用した場合について説明する。
【００２９】
図１は、本発明の一実施形態による水中探知装置５０の全体構成を示したブロック図である。１は超音波を送受信する送受波器、２は送受波器１に設けられている複数の振動子、２ａ，２ｂは複数の振動子２を分割して得られる振動子群である。３は各部の制御を行う制御部、４は送受波器１の送信・受信を切り換える送受信切換回路、５は振動子２に与える送信信号を生成する送信信号生成部である。６は送受波器１で受信された受信信号を増幅する受信アンプ、７は受信信号からノイズを除去するバンドパスフィルタ（ＢＰＦ）、８は受信信号をデジタル信号に変換するＡ／Ｄ変換器である。９ａ，９ｂはそれぞれ振動子群２ａ，２ｂの受信信号を整相して受信ビーム信号を形成する受信ビーム信号形成部、１０は各受信ビーム信号を合成して振幅を算出する振幅算出部である。１１は各受信ビーム信号の位相差を算出する位相差算出部、１２は算出された位相差に基づいてメインローブで受信された信号を検出するメインローブ受信信号検出部、１３はメインローブで受信された信号に対して画像処理を行う画像処理部、１４は処理された画像を表示する表示部である。
【００３０】
送受波器１は、図２に示すように、表面外周に沿って複数の振動子２が配列された球状または円筒状の送受波器からなる。そして、図３（ａ）に示すように、複数の振動子２のうち、所定領域の振動子（黒丸で示す）を２つの振動子群２ａ，２ｂに分割し、各振動子群２ａ，２ｂについて実質的に平行な２つの受信ビーム（スプリットビーム）ＲＢａ，ＲＢｂが形成されるようにする。ＭＬは、メインローブの方位を表している。図３（ａ）は、走査角度が−９０°である状態を表しており、エコー受信時にはこの状態から、駆動する振動子を矢印Ａ方向へ１個ずつずらしながらスキャンを開始し、走査角度が０°である図３（ｂ）の状態を経て、走査角度が＋９０°となる図３（ｃ）の状態に至るまでスキャンを行う。なお、本実施形態では、海面に対して垂直方向にスキャンを行う場合を例に挙げる。
【００３１】
送信信号生成部５は、送受信切換回路４を介して、送受波器１の各振動子２へ送信信号（例えば４０ｋＨｚの正弦波信号）を所定の周期で出力する。この送信信号により各振動子２が駆動され、送受波器１から扇状の超音波送信ビームが一斉に水中に放射される。放射された送信ビームは海底で反射し、反射したエコーは、上述した送受波器１のスキャン動作により、振動子２で受信されて電気信号に変換される。
【００３２】
振動子２の受信信号は、送受信切換回路４を介して受信アンプ６に入力され、増幅される。増幅された受信信号は、バンドパスフィルタ（ＢＰＦ）７で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８でデジタル信号に変換される。Ａ／Ｄ変換器８は、所定のサンプリング周期で、送信信号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°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を順次出力する。第１位相でサンプリングした信号をＩ信号とし、第２位相でサンプリングした信号をＱ信号とすると、Ａ／Ｄ変換器８からＩ＋ｊＱ（ｊは虚数単位）で表されるＩＱ信号が得られる。デジタル信号に変換された受信信号は、受信ビーム信号形成部９ａ，９ｂに入力される。
【００３３】
受信ビーム信号形成部９ａ，９ｂでは、図４の概念図に示すように、振動子群２ａ、２ｂで受信された信号に対してそれぞれ遅延処理を施すことにより、受信信号の位相を整相する。また、整相した各受信信号にガウス関数やハニング窓などによって決められるウエイト値を乗算する。そして、振動子群２ａ側の整相された受信信号を加算することによって、一方の受信ビーム信号Ｙａが形成され、振動子群２ｂ側の整相された受信信号を加算することによって、他方の受信ビーム信号Ｙｂが形成される。これらの受信ビーム信号Ｙａ，Ｙｂは、振幅算出部１０および位相差算出部１１へ入力される。
【００３４】
振幅算出部１０は、受信ビーム信号形成部９ａ，９ｂからそれぞれ出力される受信ビーム信号Ｙａ，Ｙｂを合成して、信号強度すなわち振幅を算出する。受信ビーム信号ＹａをＩａ＋ｊＱａとし、受信ビーム信号ＹｂをＩｂ＋ｊＱｂとすると、振幅Ｐは下記の式（１）で算出される。
Ｐ＝√｛（Ｉａ＋Ｉｂ）２＋（Ｑａ＋Ｑｂ）２｝
・・・（１）
【００３５】
位相差算出部１１は、受信ビーム信号形成部９ａ，９ｂからそれぞれ出力される受信ビーム信号Ｙａ，Ｙｂの位相差φを、下記の式（２）によって算出する。
φ＝ｔａｎ−１（Ｑａ／Ｉａ）−ｔａｎ−１（Ｑｂ／Ｉｂ）
・・・（２）
【００３６】
上記演算の結果、振幅算出部１０および位相差算出部１１からは、それぞれ１走査分の走査角度ごとの振幅データと位相差データとが順次出力される。これらのデータは、メインローブ受信信号検出部１２へ入力される。メインローブ受信信号検出部１２は、位相差の変化態様に基づいて、各走査角度における受信ビーム信号がメインローブで受信された信号（以下、「メインローブ受信信号」という）かグレーティングローブで受信された信号（以下、「グレーティングローブ受信信号」という）かを判定する。そして、判定結果に応じて、メインローブ受信信号を有効とし、グレーティングローブ受信信号を無効とすることで、メインローブ受信信号に基づく探知対象物の画像を表示し、グレーティングローブ受信信号に基づく探知対象物の画像を表示しないように制御を行う。この動作の詳細については後述する。メインローブ受信信号検出部１２は、本発明における判定手段および制御手段の一実施形態を構成している。
【００３７】
メインローブ受信信号検出部１２からは、有効な振幅データ、すなわちメインローブ受信信号の振幅データが画像処理部１３へ出力される。画像処理部１３は、メインローブ受信信号検出部１２からの振幅データの受信時刻および走査角度の情報に基づき、表示部１４におけるエコー画像の表示位置を求める。そして、その表示位置に振幅データに応じた濃淡または色彩でエコー画像を描画する。
【００３８】
図５〜図７は、シミュレーションによって求めた１走査分の受信ビーム信号の振幅特性および位相差特性を示したグラフである。このシミュレーションでは、走査角度を１°ずつ変えながら、−９０°から＋９０°までの範囲を走査した（図３の（ａ）〜（ｃ）に相当）。
【００３９】
図５は、２０個の振動子をピッチ０．６λで円形配列し、音源方向を０°とし、ウエイト値としてガウス２σを用いた場合の特性を示している。この場合は、ピッチが１λ未満なのでグレーティングローブが発生しておらず、図５（ａ）の振幅特性では、メインローブ受信信号３０だけが表れている。
【００４０】
図６は、１０個の振動子をピッチ１．２λで円形配列し、音源方向を０°とし、ウエイト値としてガウス２σを用いた場合の特性を示している。この場合は、ピッチが１λ以上なのでグレーティングローブが発生し、図６（ａ）の振幅特性ではメインローブ受信信号３０に加えて、±５６°の角度（方向）でグレーティングローブ受信信号３１が表れている。ここで、グレーティングローブの発生角度をθとすると、グレーティングローブのビーム幅は、メインローブのビーム幅の１／ｃｏｓθ倍となる。これは送受波器１の開口面積とビーム幅の関係によるものである。この結果、グレーティングローブのビーム幅はメインローブのビーム幅よりも広がる。本発明では、この特徴を利用してグレーティングローブを除去する。
【００４１】
図７は、１０個の振動子をピッチ１．２λで円形配列し、音源方向を＋５６°とし、ウエイト値としてガウス２σを用いた場合の特性を示している。この場合も、ピッチが１λ以上なのでグレーティングローブが発生し、図７（ａ）の振幅特性では、＋５６°の角度におけるメインローブ受信信号３０に加えて、０°の角度でグレーティングローブ受信信号３１が表れている。ここでのメインローブ受信信号３０の角度幅は、図５（ａ）および図６（ａ）のメインローブ受信信号３０の角度幅と同じである。これは、振動子が円形配列されていることから、送受波器１の受信ビームに対する開口面積が走査角度にかかわらず一定となるためである。なお、−５６°の角度にグレーティングローブ受信信号が表れていないのは、振動子が円形配列のため−５６°にある振動子は音源からみて陰となり、音波が届かないためである。
【００４２】
図８は、メインローブ受信信号検出部１２における処理の詳細を示したフローチャートである。
【００４３】
図８において、ステップＳ１では、位相差のゼロクロス点（位相差特性曲線が位相差０°の軸と交差する点）が算出される。具体的には、１走査分の位相差データを走査角度の負側から正側に向かって調べることにより、位相差のゼロクロス点を算出する。ゼロクロス点であるための条件は、連続する（すなわち、走査角度が１°だけ異なる）２つの位相差データが異符号であること、および両データの位相差の変化幅が所定値以下（例えば１００°以下）であることである。図５（ｂ）、図６（ｂ）、図７（ｂ）における黒丸が、ゼロクロス点Ｚを表している。
【００４４】
ステップＳ２では、位相差のゼロクロス点Ｚ近傍における位相差の変化量αを算出する。この変化量αは、位相差特性曲線の傾きであってもよいし、所定の走査角度範囲における位相差の変化幅であってもよい。以下では、変化量αを傾きとして説明する。
【００４５】
ステップＳ３では、変化量αをあらかじめ設定された所定値（所定量）Ｘと比較する。図６（ｂ）および図７（ｂ）からわかるように、ゼロクロス点Ｚ近傍における位相差特性曲線の傾きをみると、メインローブ受信信号３０の位相差特性曲線４０の傾きのほうが、グレーティングローブ受信信号３１の位相差特性曲線４１の傾きより大きくなっている。したがって、ステップＳ３での比較の結果、変化量αが所定値Ｘ以上であれば（Ｘ≦α）、ステップＳ４に移り、そのときの受信ビーム信号はメインローブ受信信号であると判断して、当該信号の振幅データを有効とする。一方、ステップＳ３での比較の結果、変化量αが所定値Ｘ未満であれば（α＜Ｘ）、ステップＳ５に移り、そのときの受信ビーム信号はグレーティングローブ受信信号であると判断して、当該信号の振幅データを無効とする。このようにして、ゼロクロス点近傍における位相差特性曲線の傾きに基づいて、受信ビーム信号がメインローブ受信信号かグレーティングローブ受信信号かを判定することができ、判定結果に応じてメインローブ受信信号の振幅データのみを抽出することができる。
【００４６】
その後、ステップＳ６において、全てのゼロクロス点Ｚを処理したか否かが判断される。すなわち、１走査分の信号処理が終了したか否かが判断される。そして、全てのゼロクロス点Ｚが処理されたと判断された場合には、ステップＳ７に移る。その一方、全てのゼロクロス点Ｚが処理されていないと判断された場合には、ステップＳ３に戻る。
【００４７】
たとえば、図６のシミュレーションによって求めた１走査分の受信ビーム信号の場合、まず、３個のゼロクロス点Ｚが算出される（ステップＳ１）。そして、走査角度が−５６°のゼロクロス点Ｚにおける位相特性曲線の変化量α（傾き）が算出され（ステップＳ２）、変化量αと所定値Ｘとが比較される（ステップＳ３）。−５６°のゼロクロス点Ｚではα＜Ｘなので、ステップＳ５で振幅データが無効とされた後、ステップＳ６に移る。ステップＳ６では、２個のゼロクロス点Ｚが未処理なので、（ステップＳ６：Ｎｏ）、ステップＳ３に戻る。次の０°のゼロクロス点ＺではＸ≦αなので、ステップＳ４で振幅データが有効とされた後、ステップＳ６に移る。ステップＳ６では、１個のゼロクロス点Ｚが未処理なので、（ステップＳ６：Ｎｏ）、ステップＳ３に戻る。次の＋５６°のゼロクロス点Ｚではα＜Ｘなので、ステップＳ５で振幅データが無効とされた後、ステップＳ６に移る。ステップＳ６では、全てのゼロクロス点Ｚについて処理が完了しているので（ステップＳ６：ＹＥＳ）、ステップＳ７へ移る。
【００４８】
ステップＳ７では、全走査分の処理が完了したか否か、すなわち最大探知距離からの受信信号を処理したか否かが判断される。そして、全走査分の処理が完了したと判断された場合には（ステップＳ７：ＹＥＳ）、ステップＳ８に移る。その一方、全走査分の処理が完了していないと判断された場合には（ステップＳ７：ＮＯ）、ステップＳ１に戻る。
【００４９】
次に、ステップＳ８において、ステップＳ４で有効であると判断された振幅データが画像処理部１３に出力される。すなわち、メインローブ受信信号の振幅データのみが画像処理部１３に出力され、グレーティングローブ受信信号の振幅データは画像処理部１３に出力されない。
【００５０】
たとえば、図６および図７のシミュレーションによって求めた１走査分の受信ビーム信号では、メインローブ受信信号３０の振幅データのみが画像処理部１３に出力され、グレーティングローブ受信信号３１の振幅データは画像処理部１３に出力されない。
【００５１】
画像処理部１３は、メインローブ受信信号検出部１２から出力される振幅データの受信時刻および走査角度の情報に基づいて、表示部１４に表示される画像の表示位置を算出する。そして、表示部１４には、有効な振幅データに応じた濃淡または色彩により探知対象物（海底）の画像が表示される。すなわち、表示部１４には、メインローブ受信信号に基づく画像のみが表示され、グレーティングローブ受信信号に基づく画像（偽像）は表示されない。
【００５２】
図９〜図１３は、シミュレーションによって得られた画像の例である。
【００５３】
図９は、図５のシミュレーションに対応しており、２０個の振動子をピッチ０．６λで円形配列し、魚群無しとした場合の画像である。この場合は振動子のピッチが１λ未満であるので、メインローブによる海底画像Ｇ１以外に、グレーティングローブによる海底画像（偽像）は表示されない。なお、海底画像Ｇ１は、実際には赤色や黄色などの鮮明な色で表示される。
【００５４】
図１０と図１１は、図６のシミュレーションに対応しており、１０個の振動子をピッチ１．２λで円形配列し、魚群無しとした場合の画像である。図１０は本発明による処理を施す前の画像であり、振動子のピッチが１λ以上のため、メインローブによる海底画像Ｇ１以外に、グレーティングローブによる海底画像（偽像）Ｇ２が表示されている。図１１は本発明による処理を施した後の画像であり、図１０のグレーティングローブによる海底画像（偽像）Ｇ２が消えていることがわかる。
【００５５】
図１２と図１３は、それぞれ図１０と図１１に魚群を重ね合わせた場合の画像である。図１２は本発明による処理を施す前の画像であり、メインローブによる海底画像Ｇ１および魚群画像Ｇ３に加えて、グレーティングローブによる海底画像（偽像）Ｇ２および魚群画像（偽像）Ｇ４が表示されている。図１３は本発明による処理を施した後の画像であり、図１２のグレーティングローブによる海底画像（偽像）Ｇ２および魚群画像（偽像）Ｇ４が消えていることがわかる。なお、魚群画像Ｇ３も、実際には赤色や黄色などの鮮明な色で表示される。
【００５６】
以上説明したように、本実施形態では、メインローブ受信信号３０のゼロクロス点Ｚ近傍の位相差変化量が、グレーティングローブ受信信号３１のゼロクロス点Ｚ近傍の位相差変化量より大きいことを利用して、メインローブ受信信号を抽出することができる。そして、抽出されたメインローブ受信信号３０に基づいて、探知対象物である海底や魚群の画像Ｇ１，Ｇ３のみを表示することにより、グレーティングローブ受信信号３１に基づく海底や魚群の画像（偽像）Ｇ２，Ｇ４が表示されなくなるため、探知対象物を誤判定するおそれが解消される。その結果、たとえ振動子２の数が少なくてグレーティングローブが発生した場合でも、信号処理によってグレーティングローブによる偽像を除去することができ、検出精度が向上する。
【００５７】
図８の手順においては、ステップＳ３で位相差の変化量を所定値と比較したが、位相差の変化量に代えて、ゼロクロス点Ｚの前後で位相差が所定範囲にわたって変化するときの走査角度幅を用いてもよい。例えば、図６（ｂ）および図７（ｂ）において、ゼロクロス点Ｚの前後で位相差（縦軸）が±１８０°変化するときの走査角度幅（横軸）をみると、メインローブ受信信号３０の走査角度幅のほうが、グレーティングローブ受信信号３１の走査角度幅より小さくなっている。そこで、この関係を利用してメインローブ受信信号３０を抽出することができる。
【００５８】
図１４は、この場合の手順を示したフローチャートであり、図８と同一処理を行うステップには同一符号を付してある。図１４では、ステップＳ２ａにおいて、位相差がゼロクロス点から±１８０°変化するときの走査角度幅βを算出する。次に、ステップＳ３ａにおいて、走査角度幅βを所定値（所定幅）Ｙと比較する。比較の結果、走査角度幅βが所定値Ｙ未満であれば（β＜Ｙ）、ステップＳ４に移り、そのときの受信ビーム信号はメインローブ受信信号３０であると判断して、当該信号の振幅データを有効とする。一方、ステップＳ３ａでの比較の結果、走査角度幅βが所定値Ｙ以上であれば（Ｙ≦β）、ステップＳ５に移り、そのときの受信ビーム信号はグレーティングローブ受信信号３１であると判断して、当該信号の振幅データを無効とする。その他の処理については図８の場合と同じであるので、説明は省略する。
【００５９】
以上述べた実施形態では、グレーティングローブによる偽像を除去する方法について説明したが、実際にはグレーティングローブ以外にサイドローブによっても偽像が発生する。画面上に表れるサイドローブの偽像は、グレーティングローブの偽像ほど顕著なものではないが、探知対象物の画像と混在することで誤判定の原因となる。そこで、このサイドローブによる偽像を除去する方法について以下に説明する。
【００６０】
図１５は、別のシミュレーションによって求めた１走査分の受信ビーム信号の振幅特性および位相差特性を示したグラフである。ここでは、１０個の振動子をピッチ１．２λで円形配列し、音源方向を０°と３８°の２方向とし、ウエイト値としてガウス２σを用いた場合の特性を示している。このシミュレーションでも、図５〜図７の場合と同様に、走査角度を１°ずつ変えながら、−９０°から＋９０°までの範囲を走査した。
【００６１】
図１５（ａ）では、０°方向の音源によるグレーティングローブ受信信号３１が±５６°の方向に表れており、３８°方向の音源によるグレーティングローブ受信信号３２が−１８°と＋９０°の方向に表れている。３３はサイドローブにより受信された信号（以下、「サイドローブ受信信号」という）である。サイドローブ受信信号の場合、音源が１つであれば、位相差特性曲線は通常ゼロクロスしないが、音源が複数の場合は、図１５（ｂ）のように位相差特性曲線４３がゼロクロスすることがある。
【００６２】
図１５（ｂ）からわかるように、ゼロクロス点Ｚ近傍における位相差特性曲線の傾きをみると、メインローブ受信信号３０の位相差特性曲線４０の傾きは、グレーティングローブ受信信号３１，３２の位相差特性曲線４１，４２の傾きより大きく、サイドローブ受信信号３３の位相差特性曲線４３の傾きより小さくなっている。したがって、この関係を利用して、メインローブ受信信号３０のみを抽出し、グレーティングローブ受信信号３１，３２とサイドローブ受信信号３３を除去することができる。なお、図１５（ｂ）における３つの位相差特性曲線４３のうち、左側と右側の位相差特性曲線４３に対応するサイドローブ受信信号が図１５（ａ）に表れていないのは、図１５（ａ）の振幅範囲が０ｄＢ〜−４０ｄＢであり、実際のサイドローブ受信信号はこの範囲外に存在しているためである。
【００６３】
図１６は、この場合の手順を示したフローチャートであり、図８と同一処理を行うステップには同一符号を付してある。図１６では、ステップＳ１１において、変化量α（ここでは傾き）を所定値（所定量）Ｘ１，Ｘ２と比較する。ここで、Ｘ１とＸ２は、Ｘ１＜Ｘ２の関係にある。比較の結果、変化量αが所定値Ｘ１未満であれば（α＜Ｘ１）、ステップＳ１２に移り、そのときの受信ビーム信号はグレーティングローブ受信信号３１，３２であると判断して、当該信号の振幅データを無効とする。一方、ステップＳ１１での比較の結果、変化量αが所定値Ｘ１以上で所定値Ｘ２未満であれば（Ｘ１≦α＜Ｘ２）、ステップＳ１３に移り、そのときの受信ビーム信号はメインローブ受信信号３０であると判断して、当該信号の振幅データを有効とする。また、ステップＳ１１での比較の結果、変化量αが所定値Ｘ２以上であれば（Ｘ２≦α）、ステップＳ１４に移り、そのときの受信ビーム信号はサイドローブ受信信号３３であると判断して、当該信号の振幅データを無効とする。その他の処理については図８の場合と同じであるので、説明は省略する。
【００６４】
図１６の手順によれば、グレーティングローブだけでなくサイドローブで受信された信号に基づく偽像も除去することができるので、検出精度を更に向上させることができる。
【００６５】
図１６の手順においては、ステップＳ１１で位相差の変化量を所定値と比較したが、位相差の変化量に代えて、ゼロクロス点Ｚの前後で位相差が所定範囲にわたって変化するときの走査角度幅を用いてもよい。例えば、図１５（ｂ）において、ゼロクロス点Ｚの前後で位相差（縦軸）が±１８０°変化するときの走査角度幅（横軸）をみると、メインローブ受信信号３０の走査角度幅は、サイドローブ受信信号３３の走査角度幅より大きく、グレーティングローブ受信信号３１，３２の走査角度幅より小さくなっている。そこで、この関係を利用してメインローブ受信信号３０を抽出することができる。
【００６６】
図１７は、この場合の手順を示したフローチャートであり、図１４と同一処理を行うステップには同一符号を付してある。図１７では、ステップＳ２ａにおいて、位相差がゼロクロス点から±１８０°変化するときの走査角度幅βを算出する。次に、ステップＳ１１ａにおいて、走査角度幅βを所定値（所定幅）Ｙ１，Ｙ２と比較する。ここで、Ｙ１とＹ２は、Ｙ１＜Ｙ２の関係にある。比較の結果、走査角度幅βが所定値Ｙ１未満であれば（β＜Ｙ１）、ステップＳ１２ａに移り、そのときの受信ビーム信号はサイドローブ受信信号３３であると判断して、当該信号の振幅データを無効とする。一方、ステップＳ１１ａでの比較の結果、走査角度幅βが所定値Ｙ１以上で所定値Ｙ２未満であれば（Ｙ１≦β＜Ｙ２）、ステップＳ１３ａに移り、そのときの受信ビーム信号はメインローブ受信信号３０であると判断して、当該信号の振幅データを有効とする。また、ステップＳ１１ａでの比較の結果、走査角度幅βが所定値Ｙ２以上であれば（Ｙ２≦β）、ステップＳ１４ａに移り、そのときの受信ビーム信号はグレーティングローブ受信信号３１，３２であると判断して、当該信号の振幅データを無効とする。その他の処理については図１４の場合と同じであるので、説明は省略する。
【００６７】
図１７の手順によっても、グレーティングローブだけでなくサイドローブで受信された信号に基づく偽像を除去することができるので、検出精度を更に向上させることができる。
【００６８】
以上述べた実施形態では、受信ビームを走査させて探知を行う場合について述べたが、本発明は、受信ビームを走査させずに所定の方位に固定して探知を行う場合にも適用することができる。例えば、スキャニングソナーにおいてティルト角を一定角度に固定し、受信ビームを所定方位に形成することによって探知を行う場合、時間軸上の位相差に基づきメインローブで受信された信号かグレーティングローブで受信された信号かを判定することができる。
【００６９】
図１８は、この場合の実施形態を説明する概念図である。なお、水中探知装置の構成は図１と同じである。スキャニングソナーの送受波器１から、ティルト角をγに固定した状態で超音波を水中に送信し、送受波器１の上下に分割した振動子群で海底Ｂからのエコーを受信した場合、受信ビーム信号形成部９ａ，９ｂで形成された各受信ビーム信号の位相差は、図のような変化をする。すなわち、グレーティングローブＧＬによる受信ビーム信号の位相差は、区間Ｔ１に示すように、時間（距離）とともに＋１８０°から−１８０°まで、比較的大きな傾きで連続的に変化し、かつゼロクロスする。一方、メインローブＭＬによる受信ビーム信号の位相差は、区間Ｔ２に示すように、時間（距離）とともに＋１８０°から−１８０°まで、比較的小さな傾きで連続的に変化し、かつゼロクロスする。また、海底Ｂからのエコーが受信されない区間（Ｔ１，Ｔ２以外の区間）では、位相差はランダムに変化する。
【００７０】
したがって、この特性を利用して、メインローブ受信信号検出部１２で、各時刻（距離）における受信ビーム信号がメインローブＭＬで受信された信号かグレーティングローブＧＬで受信された信号かを判定し、メインローブ受信信号のみを抽出することができる。そして、抽出されたメインローブ受信信号に基づいて、海底画像を表示することにより、グレーティングローブ受信信号に基づく海底画像（偽像）が表示されなくなるため、探知対象物を誤判定するおそれが解消され、検出精度が向上する。なお、本実施形態においても、位相差特性曲線の傾きに代えて、所定時間内における位相差の変化幅や、ゼロクロス点の前後で位相差が所定範囲にわたって変化するときの時間幅を用いることができる。
【００７１】
図１９は、本発明の他の実施形態による水中探知装置６０の全体構成を示したブロック図である。図１９では、図１と同一部分に同一符号を付してある。図１９においては、図１の構成に加えて、標準偏差算出部１５、ばらつき判定部１６、および振幅減衰処理部１７が追加されている。その他の構成については図１と同じである。
【００７２】
漁撈においては、魚群の画像だけが表示されることが望ましいが、一般に、海底や海面からのエコーによる受信信号のレベルは、魚群からのエコーによる受信信号のレベルに比べて大きく、レベル情報だけでは、魚群からのエコーを海底や海面からのエコーと分離して検出することは難しい。そこで、図１９の実施形態は、メインローブ受信信号が魚群による信号か海底（または海面）による信号かを判定できるようにしたものである。
【００７３】
標準偏差算出部１５は、位相差算出部１１で算出されたメインローブ受信信号の位相差に基づいて、所定のサンプリング点（例えば４００点）にわたる位相差の標準偏差、すなわちばらつきを算出する。
【００７４】
図２０に示すように、送受波器１の上下に分割した振動子群により、ｎ１〜ｎ４の各サンプリング点（時刻）で魚群Ｆからのエコーを受信した場合、受信ビーム信号の特性は図２１のようになる。図２１（ａ）は位相差、図２１（ｂ）は振幅を表している。図２１（ａ）で黒丸で示したように、魚群によるエコーの場合は、位相差のばらつきが大きくなる。これは、魚群には規則性がなく、密度も不均一であることに起因している。一方、海底（または海面）によるエコーの場合は、魚群の場合に比べて位相差のばらつきは小さい。
【００７５】
ばらつき判定部１６は、上記のような特性を利用して、標準偏差算出部１５で算出された標準偏差を基準値と比較し、標準偏差が基準値以上であれば、メインローブ受信信号が魚群による信号であると判定し、標準偏差が基準値未満であれば、メインローブ受信信号が海底（または海面）による信号であると判定する。
【００７６】
振幅減衰処理部１７は、ばらつき判定部１６において標準偏差が基準値未満と判定された場合（海底または海面の場合）、振幅算出部１０で算出された振幅を減衰させる処理を行う。この場合の減衰量は、例えば次式により決定される。
減衰量＝（標準偏差−標準偏差閾値）×減衰倍率 ・・・（３）
一例として、標準偏差閾値は０．０４、減衰倍率は４００である。一方、ばらつき判定部１６において標準偏差が基準値以上と判定された場合（魚群の場合）、振幅減衰処理部１７は、振幅算出部１０で算出された振幅を減衰させる処理を行わない。
【００７７】
この結果、メインローブで受信されたエコーのうち、海底（または海面）からのエコーの信号レベルが減衰するため、魚群からのエコーの信号レベルが相対的に高くなって、表示部１４において魚群の画像を明瞭に表示することができる。すなわち、ＳＮ比が向上して魚群の検出精度が向上する。本実施形態は、魚群の大きさがメインビームの幅以上である場合に特に有効である。
【００７８】
以上のように、上述した各実施形態によれば、受信ビーム信号の位相差の変化態様が、メインローブの場合とグレーティングローブ等の場合とで異なることを利用して、メインローブで受信された信号のみを抽出できるので、振動子２の数が少なくても、信号処理によって偽像を除去することができる。このため、探知対象物を誤判定するおそれが解消され、検出精度を向上させることが可能となる。
【００７９】
本発明は、上述した以外にも種々の実施形態を採用することができる。たとえば、上記実施形態では、海面に対して垂直方向にスキャンを行う場合を例に挙げたが、海面に対して水平方向にスキャンを行う場合にも本発明を適用することができる。
【００８０】
また、図８、図１４、図１６、図１７の実施形態では、全走査分の処理が完了した後（ステップＳ７：ＹＥＳ）、振幅データを画像処理部１３に出力する（ステップＳ８）例を示したが、これに限らず、１走査分の信号処理を行う毎に、振幅データを画像処理部１３に出力するようにしてもよい。
【００８１】
また、上記実施形態では、１走査分の受信ビーム信号のゼロクロス点Ｚを全て算出した後、各ゼロクロス点Ｚについて位相差の変化量または走査角度幅を検証する例を示したが、これに限らず、ゼロクロス点Ｚを算出する毎に、そのゼロクロス点Ｚについて位相差の変化量または走査角度幅を検証するようにしてもよい。
【００８２】
また、図８、図１４、図１６、図１７のステップＳ１の前に、受信信号の強度が所定の値以上であるか否かを判定するステップを追加し、受信信号の強度が所定の値以上になってから、位相差のゼロクロス点Ｚの算出を開始するようにしてもよい。
【００８３】
また、上記実施形態では、複数の振動子２を円形配列した例を挙げたが、これに限らず、複数の振動子２が直線状あるいは平面状に配置されていてもよい。
【００８４】
さらに、上記実施形態では、本発明を水中探知装置に適用した例を示したが、これに限らず、本発明は医療用の超音波探知装置などにも適用することができる。
【図面の簡単な説明】
【００８５】
【図１】本発明の一実施形態による水中探知装置の全体構成を示したブロック図である。
【図２】送受波器の概略構成図である。
【図３】送受波器によるスキャンを説明する図である。
【図４】受信信号の位相の整相を説明する概念図である。
【図５】シミュレーションによる受信ビーム信号の振幅特性と位相差特性を示したグラフである。
【図６】他のシミュレーションによる受信ビーム信号の振幅特性と位相差特性を示したグラフである。
【図７】他のシミュレーションによる受信ビーム信号の振幅特性と位相差特性を示したグラフである。
【図８】メインローブ受信信号検出部の処理の詳細を示したフローチャートである。
【図９】シミュレーションによって得られた画像の例である。
【図１０】他のシミュレーションによって得られた画像の例である。
【図１１】他のシミュレーションによって得られた画像の例である。
【図１２】他のシミュレーションによって得られた画像の例である。
【図１３】他のシミュレーションによって得られた画像の例である。
【図１４】他の実施形態におけるメインローブ受信信号検出部の処理の詳細を示したフローチャートである。
【図１５】他のシミュレーションによる受信ビーム信号の振幅特性と位相差特性を示したグラフである。
【図１６】他の実施形態におけるメインローブ受信信号検出部の処理の詳細を示したフローチャートである。
【図１７】他の実施形態におけるメインローブ受信信号検出部の処理の詳細を示したフローチャートである。
【図１８】他の実施形態を説明する概念図である。
【図１９】他の実施形態による水中探知装置の全体構成を示したブロック図である。
【図２０】送受波器でエコーを受信する場合のサンプリング点を説明する図である。
【図２１】受信ビーム信号の位相差と振幅の特性を示す図である。
【図２２】水中探知装置で海底地形を探知する様子を示す図である。
【図２３】送受波器の受信時の指向特性を示す図である。
【符号の説明】
【００８６】
１ 送受波器
２ 振動子
２ａ，２ｂ 振動子群
９ａ，９ｂ 受信ビーム信号形成部
１０ 振幅算出部
１１ 位相差算出部
１２ メインローブ受信信号検出部
１３ 画像処理部
１４ 表示部
１５ 標準偏差算出部
１６ ばらつき判定部
１７ 振幅減衰処理部
３０ メインローブ受信信号
３１，３２ グレーティングローブ受信信号
３３ サイドローブ受信信号
４０〜４３ 位相差特性曲線
５０，６０ 水中探知装置
Ｚ ゼロクロス点
【技術分野】
【０００１】
本発明は、探知対象物で反射した超音波エコーを複数の振動子で受信して探知対象物の画像を表示する超音波探知装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
図２２は、超音波探知装置の一例である水中探知装置で海底地形を探知する様子を示す図である。水中探知装置１００は、海面２００を航行する船舶１５０に搭載されており、船舶１５０の船底に設けられた送受波器１０１を備えている。送受波器１０１は、超音波を送受信する振動子を有しており、船舶１５０の進行方向と垂直な面内において、扇状の超音波送信ビーム（図示省略）を下方に放射し、その後、扇状の探知範囲２０１をペンシル状の受信ビーム１０２により走査する。そして、水中探知装置１００は、受信ビーム１０２の走査により受信された海底２０２からの超音波エコー（以下、単に「エコー」という）を送受波器１０１で受信し、当該受信信号に基づいて探知対象物である海底の画像を表示部に表示する。
【０００３】
図２３は、送受波器１０１の受信時の指向特性を示す図である。ＭＬはメインローブであり、破線は指向特性の主軸を示している。ＧＬはメインローブＭＬの左右に生じるグレーティングローブである。
【０００４】
図２２で示したように、鉛直下方を向いた受信ビーム１０２ａにより送受波器１０１の鉛直下方を探知するとき、海底地点２０２ａからのエコーがメインローブＭＬにより受信されるとともに、海底地点２０２ａよりも遠方の海底地点２０２ｂなどからのエコーがグレーティングローブＧＬにより受信される。この場合、メインローブＭＬにより受信したエコーに加えて、グレーティングローブＧＬにより受信したエコーも鉛直下方から到来したエコーであるとして処理されるため、表示部には、メインローブＭＬで受信したエコーの画像のほかに、グレーティングローブＧＬで受信したエコーの画像も表示される。後者の画像は、本来の探知対象物の画像ではない偽像である。
【０００５】
また、右下方を向いた受信ビーム１０２ｂにより海底地点２０２ｂの方向を探知するとき、海底地点２０２ｂからのエコーがメインローブＭＬにより受信されるとともに、海底地点２０２ａおよびその近辺からのエコーがグレーティングローブＧＬにより受信されるため、この場合も偽像が表示される。
【０００６】
このように、本来の探知対象物の画像とともに偽像が表示されると、水中探知装置１００のオペレータが海底などの探知対象物を誤判定するおそれがある。なお、実際には、メインローブＭＬとグレーティングローブＧＬのほかに、サイドローブも生じるが、図２３ではサイドローブの図示を省略してある。
【０００７】
ところで、送受波器における振動子の配列ピッチをｄ、超音波の波長をλとしたとき、グレーティングローブは、θ＝ｓｉｎ−１（ｎλ／ｄ）の角度に発生することが知られている。例えば、ｄ＝１λの場合はθ＝±９０°の角度にグレーティングローブが発生し、ｄ＝１．２λの場合はθ＝±５６°の角度にグレーティングローブが発生する。また、ビームをティルトさせ、δの方位に整相した場合は、δ±θの方向にグレーティングローブが発生する。現実的にグレーティングローブの影響をなくすためには、振動子の配列ピッチを１λ程度とすればよいが、そうすると振動子の数が非常に多くなってコストが増加することになる。また、球形の送受波器において放射面が円形のランジュバン振動子を配列する場合は、構造上どうしても配列ピッチの粗い部分が生じるため、これに起因してグレーティングローブが発生する。
【０００８】
グレーティングローブを抑制する方法として、例えば下記の特許文献１に示されているような方位別に送信周波数を異ならせる方法や、後処理の画像信号処理において低減を行う方法などが従来から行われているが、これらは複雑な処理を必要とする割には、グレーティングローブの抑制効果が十分ではない。また、下記の特許文献２には、振動子を２つの振動子群に分割して得られる略平行な２つの受信ビームからなるスプリットビームを用い、スプリットビームの位相差が所定値以上の場合は、エコーがサイドローブで受信されたものとして、当該エコーの画像を表示しないようにすることで、サイドローブによる偽像の表示を抑制した超音波探知装置が示されているが、グレーティングローブによる偽像の対策については言及されていない。
【０００９】
【特許文献１】特許第４０５７８１２号公報
【特許文献２】特開２００６−２０８１１０号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
上述したように、従来の超音波探知装置にあっては、振動子の数を低減しようとすると配列ピッチが粗くなって、グレーティングローブが不可避的に発生し、このグレーティングローブによる偽像を除去することが困難であった。
【００１１】
本発明は、上記のような問題点に鑑み、振動子の数が少なくても、グレーティングローブによる偽像を除去して探知対象物の検出精度を向上させることが可能な超音波探知装置を提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
本発明の超音波探知装置は、探知対象物で反射した超音波エコーを複数の振動子で受信し、当該受信信号に基づいて前記探知対象物の画像を表示する超音波探知装置であって、各振動子の受信信号を整相することにより、２つの受信ビーム信号を探知範囲内の走査角度ごとに形成する受信ビーム信号形成部と、この受信ビーム信号形成部で形成された２つの受信ビーム信号の位相差を走査角度ごとに算出する位相差算出部と、この位相差算出部で算出された位相差の変化態様に基づいて、各走査角度における受信信号がメインローブで受信された信号かグレーティングローブで受信された信号かを判定する判定手段と、この判定手段の判定結果に応じて、メインローブで受信された信号に基づく探知対象物の画像を表示し、グレーティングローブで受信された信号に基づく探知対象物の画像を表示しないように制御する制御手段とを備えている。
【００１３】
このようにすると、２つの受信ビーム（スプリットビーム）を用いて、各受信ビーム信号の位相差の変化態様が、メインローブで受信された信号とグレーティングローブで受信された信号とで異なることを利用して、メインローブで受信された信号を抽出することができる。そして、抽出された信号に基づいて探知対象物の画像のみを表示することにより、グレーティングローブで受信された信号に基づく偽像が表示されなくなるため、探知対象物を誤判定するおそれが解消される。その結果、たとえ振動子の数が少なくてグレーティングローブが発生した場合でも、信号処理によってグレーティングローブによる偽像を除去することができ、検出精度が向上する。
【００１４】
本発明では、位相差の変化態様として、位相差特性曲線のゼロクロス点近傍における位相差の変化量を用いることができる。この場合、判定手段は、変化量が所定量以上である場合に、受信信号がメインローブで受信された信号であると判定する。
【００１５】
このようにすると、メインローブで受信された信号のゼロクロス点近傍の位相差変化量が、グレーティングローブで受信された信号のゼロクロス点近傍の位相差変化量より大きいことを利用して、メインローブで受信された信号を抽出することができる。ここで、位相差変化量には、位相差特性曲線の傾きのほか、位相差の変化幅も含まれる。
【００１６】
また、位相差の変化態様としては、位相差特性曲線のゼロクロス点の前後で位相差が所定範囲にわたって変化するときの走査角度幅を用いてもよい。この場合、判定手段は、走査角度幅が所定幅未満である場合に、受信信号がメインローブで受信された信号であると判定する。
【００１７】
このようにすると、メインローブで受信された信号のゼロクロス点近傍の前後の走査角度幅が、グレーティングローブで受信された信号のゼロクロス点近傍の前後の走査角度幅より小さいことを利用して、メインローブで受信された信号を抽出することができる。
【００１８】
本発明では、メインローブで受信された信号かグレーティングローブで受信された信号かの判定に加えて、サイドローブで受信された信号か否かを判定するようにしてもよい。
【００１９】
例えば、位相差の変化態様として位相差の変化量を用いる場合は、前記の所定量として第１の所定量とこれより大きい第２の所定量とを設定し、位相差の変化量が第１の所定量未満であれば、グレーティングローブで受信された信号であると判定し、位相差の変化量が第１の所定量以上で第２の所定量未満であれば、メインローブで受信された信号であると判定し、位相差の変化量が第２の所定量以上であれば、サイドローブで受信された信号であると判定する。そして、グレーティングローブおよびサイドローブで受信された信号に基づく探知対象物の画像を表示しないようにする。
【００２０】
このようにすると、グレーティングローブだけでなくサイドローブで受信された信号に基づく偽像も除去することができるので、検出精度を更に向上させることができる。
【００２１】
また、位相差の変化態様として走査角度幅を用いる場合は、前記の所定幅として第１の所定幅とこれより小さい第２の所定幅とを設定し、走査角度幅が第１の所定幅以上であれば、グレーティングローブで受信された信号であると判定し、走査角度幅が第１の所定幅未満で第２の所定幅以上であれば、メインローブで受信された信号であると判定し、走査角度幅が第２の所定幅未満であれば、サイドローブで受信された信号であると判定する。そして、グレーティングローブおよびサイドローブで受信された信号に基づく探知対象物の画像を表示しないようにする。
【００２２】
この場合も、グレーティングローブだけでなくサイドローブで受信された信号に基づく偽像を除去することができるので、検出精度を更に向上させることができる。
【００２３】
本発明は、受信ビームを走査させずに所定の方位に固定した場合にも適用することができる。この場合、受信ビーム信号形成部は、各振動子の受信信号を整相することにより、２つの受信ビーム信号を探知範囲内の所定方位に形成し、位相差算出部は、受信ビーム信号形成部で形成された２つの受信ビーム信号の位相差を時間軸上で算出し、判定手段は、位相差算出部で算出された位相差の変化態様に基づいて、各時刻における受信信号がメインローブで受信された信号かグレーティングローブで受信された信号かを判定する。
【００２４】
このようにすると、例えばスキャニングソナーにおいてティルト角を一定角度に固定し、受信ビームを所定方位に形成することによって探知を行う場合、時間軸上の位相差に基づきメインローブで受信された信号かグレーティングローブで受信された信号かを判定することができる。
【００２５】
また、本発明においては、位相差算出部で算出された位相差の標準偏差を算出する標準偏差算出部を更に設け、この標準偏差算出部で算出された標準偏差に基づいて、メインローブで受信された信号が魚群による信号か海底または海面による信号かを判定し、海底または海面による信号と判定した場合は、受信ビーム信号の振幅を減衰させるようにしてもよい。
【００２６】
このようにすると、魚群からのエコーは位相差のばらつきが大きく、海底や海面からのエコーは位相差のばらつきが小さいことを利用して、両者を判別することができる。そして、エコーが海底や海面からのものである場合は、受信ビーム信号の振幅を減衰させることで、魚群のエコー画像を明瞭に表示することができる。
【発明の効果】
【００２７】
本発明によれば、振動子の数が少なくても、グレーティングローブによる偽像を除去して探知対象物の検出精度を向上させることが可能な超音波探知装置を提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２８】
以下、本発明の実施形態について、図面を参照しながら説明する。なお、以下の実施形態では、超音波探知装置の一例である水中探知装置に本発明を適用した場合について説明する。
【００２９】
図１は、本発明の一実施形態による水中探知装置５０の全体構成を示したブロック図である。１は超音波を送受信する送受波器、２は送受波器１に設けられている複数の振動子、２ａ，２ｂは複数の振動子２を分割して得られる振動子群である。３は各部の制御を行う制御部、４は送受波器１の送信・受信を切り換える送受信切換回路、５は振動子２に与える送信信号を生成する送信信号生成部である。６は送受波器１で受信された受信信号を増幅する受信アンプ、７は受信信号からノイズを除去するバンドパスフィルタ（ＢＰＦ）、８は受信信号をデジタル信号に変換するＡ／Ｄ変換器である。９ａ，９ｂはそれぞれ振動子群２ａ，２ｂの受信信号を整相して受信ビーム信号を形成する受信ビーム信号形成部、１０は各受信ビーム信号を合成して振幅を算出する振幅算出部である。１１は各受信ビーム信号の位相差を算出する位相差算出部、１２は算出された位相差に基づいてメインローブで受信された信号を検出するメインローブ受信信号検出部、１３はメインローブで受信された信号に対して画像処理を行う画像処理部、１４は処理された画像を表示する表示部である。
【００３０】
送受波器１は、図２に示すように、表面外周に沿って複数の振動子２が配列された球状または円筒状の送受波器からなる。そして、図３（ａ）に示すように、複数の振動子２のうち、所定領域の振動子（黒丸で示す）を２つの振動子群２ａ，２ｂに分割し、各振動子群２ａ，２ｂについて実質的に平行な２つの受信ビーム（スプリットビーム）ＲＢａ，ＲＢｂが形成されるようにする。ＭＬは、メインローブの方位を表している。図３（ａ）は、走査角度が−９０°である状態を表しており、エコー受信時にはこの状態から、駆動する振動子を矢印Ａ方向へ１個ずつずらしながらスキャンを開始し、走査角度が０°である図３（ｂ）の状態を経て、走査角度が＋９０°となる図３（ｃ）の状態に至るまでスキャンを行う。なお、本実施形態では、海面に対して垂直方向にスキャンを行う場合を例に挙げる。
【００３１】
送信信号生成部５は、送受信切換回路４を介して、送受波器１の各振動子２へ送信信号（例えば４０ｋＨｚの正弦波信号）を所定の周期で出力する。この送信信号により各振動子２が駆動され、送受波器１から扇状の超音波送信ビームが一斉に水中に放射される。放射された送信ビームは海底で反射し、反射したエコーは、上述した送受波器１のスキャン動作により、振動子２で受信されて電気信号に変換される。
【００３２】
振動子２の受信信号は、送受信切換回路４を介して受信アンプ６に入力され、増幅される。増幅された受信信号は、バンドパスフィルタ（ＢＰＦ）７で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８でデジタル信号に変換される。Ａ／Ｄ変換器８は、所定のサンプリング周期で、送信信号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°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を順次出力する。第１位相でサンプリングした信号をＩ信号とし、第２位相でサンプリングした信号をＱ信号とすると、Ａ／Ｄ変換器８からＩ＋ｊＱ（ｊは虚数単位）で表されるＩＱ信号が得られる。デジタル信号に変換された受信信号は、受信ビーム信号形成部９ａ，９ｂに入力される。
【００３３】
受信ビーム信号形成部９ａ，９ｂでは、図４の概念図に示すように、振動子群２ａ、２ｂで受信された信号に対してそれぞれ遅延処理を施すことにより、受信信号の位相を整相する。また、整相した各受信信号にガウス関数やハニング窓などによって決められるウエイト値を乗算する。そして、振動子群２ａ側の整相された受信信号を加算することによって、一方の受信ビーム信号Ｙａが形成され、振動子群２ｂ側の整相された受信信号を加算することによって、他方の受信ビーム信号Ｙｂが形成される。これらの受信ビーム信号Ｙａ，Ｙｂは、振幅算出部１０および位相差算出部１１へ入力される。
【００３４】
振幅算出部１０は、受信ビーム信号形成部９ａ，９ｂからそれぞれ出力される受信ビーム信号Ｙａ，Ｙｂを合成して、信号強度すなわち振幅を算出する。受信ビーム信号ＹａをＩａ＋ｊＱａとし、受信ビーム信号ＹｂをＩｂ＋ｊＱｂとすると、振幅Ｐは下記の式（１）で算出される。
Ｐ＝√｛（Ｉａ＋Ｉｂ）２＋（Ｑａ＋Ｑｂ）２｝
・・・（１）
【００３５】
位相差算出部１１は、受信ビーム信号形成部９ａ，９ｂからそれぞれ出力される受信ビーム信号Ｙａ，Ｙｂの位相差φを、下記の式（２）によって算出する。
φ＝ｔａｎ−１（Ｑａ／Ｉａ）−ｔａｎ−１（Ｑｂ／Ｉｂ）
・・・（２）
【００３６】
上記演算の結果、振幅算出部１０および位相差算出部１１からは、それぞれ１走査分の走査角度ごとの振幅データと位相差データとが順次出力される。これらのデータは、メインローブ受信信号検出部１２へ入力される。メインローブ受信信号検出部１２は、位相差の変化態様に基づいて、各走査角度における受信ビーム信号がメインローブで受信された信号（以下、「メインローブ受信信号」という）かグレーティングローブで受信された信号（以下、「グレーティングローブ受信信号」という）かを判定する。そして、判定結果に応じて、メインローブ受信信号を有効とし、グレーティングローブ受信信号を無効とすることで、メインローブ受信信号に基づく探知対象物の画像を表示し、グレーティングローブ受信信号に基づく探知対象物の画像を表示しないように制御を行う。この動作の詳細については後述する。メインローブ受信信号検出部１２は、本発明における判定手段および制御手段の一実施形態を構成している。
【００３７】
メインローブ受信信号検出部１２からは、有効な振幅データ、すなわちメインローブ受信信号の振幅データが画像処理部１３へ出力される。画像処理部１３は、メインローブ受信信号検出部１２からの振幅データの受信時刻および走査角度の情報に基づき、表示部１４におけるエコー画像の表示位置を求める。そして、その表示位置に振幅データに応じた濃淡または色彩でエコー画像を描画する。
【００３８】
図５〜図７は、シミュレーションによって求めた１走査分の受信ビーム信号の振幅特性および位相差特性を示したグラフである。このシミュレーションでは、走査角度を１°ずつ変えながら、−９０°から＋９０°までの範囲を走査した（図３の（ａ）〜（ｃ）に相当）。
【００３９】
図５は、２０個の振動子をピッチ０．６λで円形配列し、音源方向を０°とし、ウエイト値としてガウス２σを用いた場合の特性を示している。この場合は、ピッチが１λ未満なのでグレーティングローブが発生しておらず、図５（ａ）の振幅特性では、メインローブ受信信号３０だけが表れている。
【００４０】
図６は、１０個の振動子をピッチ１．２λで円形配列し、音源方向を０°とし、ウエイト値としてガウス２σを用いた場合の特性を示している。この場合は、ピッチが１λ以上なのでグレーティングローブが発生し、図６（ａ）の振幅特性ではメインローブ受信信号３０に加えて、±５６°の角度（方向）でグレーティングローブ受信信号３１が表れている。ここで、グレーティングローブの発生角度をθとすると、グレーティングローブのビーム幅は、メインローブのビーム幅の１／ｃｏｓθ倍となる。これは送受波器１の開口面積とビーム幅の関係によるものである。この結果、グレーティングローブのビーム幅はメインローブのビーム幅よりも広がる。本発明では、この特徴を利用してグレーティングローブを除去する。
【００４１】
図７は、１０個の振動子をピッチ１．２λで円形配列し、音源方向を＋５６°とし、ウエイト値としてガウス２σを用いた場合の特性を示している。この場合も、ピッチが１λ以上なのでグレーティングローブが発生し、図７（ａ）の振幅特性では、＋５６°の角度におけるメインローブ受信信号３０に加えて、０°の角度でグレーティングローブ受信信号３１が表れている。ここでのメインローブ受信信号３０の角度幅は、図５（ａ）および図６（ａ）のメインローブ受信信号３０の角度幅と同じである。これは、振動子が円形配列されていることから、送受波器１の受信ビームに対する開口面積が走査角度にかかわらず一定となるためである。なお、−５６°の角度にグレーティングローブ受信信号が表れていないのは、振動子が円形配列のため−５６°にある振動子は音源からみて陰となり、音波が届かないためである。
【００４２】
図８は、メインローブ受信信号検出部１２における処理の詳細を示したフローチャートである。
【００４３】
図８において、ステップＳ１では、位相差のゼロクロス点（位相差特性曲線が位相差０°の軸と交差する点）が算出される。具体的には、１走査分の位相差データを走査角度の負側から正側に向かって調べることにより、位相差のゼロクロス点を算出する。ゼロクロス点であるための条件は、連続する（すなわち、走査角度が１°だけ異なる）２つの位相差データが異符号であること、および両データの位相差の変化幅が所定値以下（例えば１００°以下）であることである。図５（ｂ）、図６（ｂ）、図７（ｂ）における黒丸が、ゼロクロス点Ｚを表している。
【００４４】
ステップＳ２では、位相差のゼロクロス点Ｚ近傍における位相差の変化量αを算出する。この変化量αは、位相差特性曲線の傾きであってもよいし、所定の走査角度範囲における位相差の変化幅であってもよい。以下では、変化量αを傾きとして説明する。
【００４５】
ステップＳ３では、変化量αをあらかじめ設定された所定値（所定量）Ｘと比較する。図６（ｂ）および図７（ｂ）からわかるように、ゼロクロス点Ｚ近傍における位相差特性曲線の傾きをみると、メインローブ受信信号３０の位相差特性曲線４０の傾きのほうが、グレーティングローブ受信信号３１の位相差特性曲線４１の傾きより大きくなっている。したがって、ステップＳ３での比較の結果、変化量αが所定値Ｘ以上であれば（Ｘ≦α）、ステップＳ４に移り、そのときの受信ビーム信号はメインローブ受信信号であると判断して、当該信号の振幅データを有効とする。一方、ステップＳ３での比較の結果、変化量αが所定値Ｘ未満であれば（α＜Ｘ）、ステップＳ５に移り、そのときの受信ビーム信号はグレーティングローブ受信信号であると判断して、当該信号の振幅データを無効とする。このようにして、ゼロクロス点近傍における位相差特性曲線の傾きに基づいて、受信ビーム信号がメインローブ受信信号かグレーティングローブ受信信号かを判定することができ、判定結果に応じてメインローブ受信信号の振幅データのみを抽出することができる。
【００４６】
その後、ステップＳ６において、全てのゼロクロス点Ｚを処理したか否かが判断される。すなわち、１走査分の信号処理が終了したか否かが判断される。そして、全てのゼロクロス点Ｚが処理されたと判断された場合には、ステップＳ７に移る。その一方、全てのゼロクロス点Ｚが処理されていないと判断された場合には、ステップＳ３に戻る。
【００４７】
たとえば、図６のシミュレーションによって求めた１走査分の受信ビーム信号の場合、まず、３個のゼロクロス点Ｚが算出される（ステップＳ１）。そして、走査角度が−５６°のゼロクロス点Ｚにおける位相特性曲線の変化量α（傾き）が算出され（ステップＳ２）、変化量αと所定値Ｘとが比較される（ステップＳ３）。−５６°のゼロクロス点Ｚではα＜Ｘなので、ステップＳ５で振幅データが無効とされた後、ステップＳ６に移る。ステップＳ６では、２個のゼロクロス点Ｚが未処理なので、（ステップＳ６：Ｎｏ）、ステップＳ３に戻る。次の０°のゼロクロス点ＺではＸ≦αなので、ステップＳ４で振幅データが有効とされた後、ステップＳ６に移る。ステップＳ６では、１個のゼロクロス点Ｚが未処理なので、（ステップＳ６：Ｎｏ）、ステップＳ３に戻る。次の＋５６°のゼロクロス点Ｚではα＜Ｘなので、ステップＳ５で振幅データが無効とされた後、ステップＳ６に移る。ステップＳ６では、全てのゼロクロス点Ｚについて処理が完了しているので（ステップＳ６：ＹＥＳ）、ステップＳ７へ移る。
【００４８】
ステップＳ７では、全走査分の処理が完了したか否か、すなわち最大探知距離からの受信信号を処理したか否かが判断される。そして、全走査分の処理が完了したと判断された場合には（ステップＳ７：ＹＥＳ）、ステップＳ８に移る。その一方、全走査分の処理が完了していないと判断された場合には（ステップＳ７：ＮＯ）、ステップＳ１に戻る。
【００４９】
次に、ステップＳ８において、ステップＳ４で有効であると判断された振幅データが画像処理部１３に出力される。すなわち、メインローブ受信信号の振幅データのみが画像処理部１３に出力され、グレーティングローブ受信信号の振幅データは画像処理部１３に出力されない。
【００５０】
たとえば、図６および図７のシミュレーションによって求めた１走査分の受信ビーム信号では、メインローブ受信信号３０の振幅データのみが画像処理部１３に出力され、グレーティングローブ受信信号３１の振幅データは画像処理部１３に出力されない。
【００５１】
画像処理部１３は、メインローブ受信信号検出部１２から出力される振幅データの受信時刻および走査角度の情報に基づいて、表示部１４に表示される画像の表示位置を算出する。そして、表示部１４には、有効な振幅データに応じた濃淡または色彩により探知対象物（海底）の画像が表示される。すなわち、表示部１４には、メインローブ受信信号に基づく画像のみが表示され、グレーティングローブ受信信号に基づく画像（偽像）は表示されない。
【００５２】
図９〜図１３は、シミュレーションによって得られた画像の例である。
【００５３】
図９は、図５のシミュレーションに対応しており、２０個の振動子をピッチ０．６λで円形配列し、魚群無しとした場合の画像である。この場合は振動子のピッチが１λ未満であるので、メインローブによる海底画像Ｇ１以外に、グレーティングローブによる海底画像（偽像）は表示されない。なお、海底画像Ｇ１は、実際には赤色や黄色などの鮮明な色で表示される。
【００５４】
図１０と図１１は、図６のシミュレーションに対応しており、１０個の振動子をピッチ１．２λで円形配列し、魚群無しとした場合の画像である。図１０は本発明による処理を施す前の画像であり、振動子のピッチが１λ以上のため、メインローブによる海底画像Ｇ１以外に、グレーティングローブによる海底画像（偽像）Ｇ２が表示されている。図１１は本発明による処理を施した後の画像であり、図１０のグレーティングローブによる海底画像（偽像）Ｇ２が消えていることがわかる。
【００５５】
図１２と図１３は、それぞれ図１０と図１１に魚群を重ね合わせた場合の画像である。図１２は本発明による処理を施す前の画像であり、メインローブによる海底画像Ｇ１および魚群画像Ｇ３に加えて、グレーティングローブによる海底画像（偽像）Ｇ２および魚群画像（偽像）Ｇ４が表示されている。図１３は本発明による処理を施した後の画像であり、図１２のグレーティングローブによる海底画像（偽像）Ｇ２および魚群画像（偽像）Ｇ４が消えていることがわかる。なお、魚群画像Ｇ３も、実際には赤色や黄色などの鮮明な色で表示される。
【００５６】
以上説明したように、本実施形態では、メインローブ受信信号３０のゼロクロス点Ｚ近傍の位相差変化量が、グレーティングローブ受信信号３１のゼロクロス点Ｚ近傍の位相差変化量より大きいことを利用して、メインローブ受信信号を抽出することができる。そして、抽出されたメインローブ受信信号３０に基づいて、探知対象物である海底や魚群の画像Ｇ１，Ｇ３のみを表示することにより、グレーティングローブ受信信号３１に基づく海底や魚群の画像（偽像）Ｇ２，Ｇ４が表示されなくなるため、探知対象物を誤判定するおそれが解消される。その結果、たとえ振動子２の数が少なくてグレーティングローブが発生した場合でも、信号処理によってグレーティングローブによる偽像を除去することができ、検出精度が向上する。
【００５７】
図８の手順においては、ステップＳ３で位相差の変化量を所定値と比較したが、位相差の変化量に代えて、ゼロクロス点Ｚの前後で位相差が所定範囲にわたって変化するときの走査角度幅を用いてもよい。例えば、図６（ｂ）および図７（ｂ）において、ゼロクロス点Ｚの前後で位相差（縦軸）が±１８０°変化するときの走査角度幅（横軸）をみると、メインローブ受信信号３０の走査角度幅のほうが、グレーティングローブ受信信号３１の走査角度幅より小さくなっている。そこで、この関係を利用してメインローブ受信信号３０を抽出することができる。
【００５８】
図１４は、この場合の手順を示したフローチャートであり、図８と同一処理を行うステップには同一符号を付してある。図１４では、ステップＳ２ａにおいて、位相差がゼロクロス点から±１８０°変化するときの走査角度幅βを算出する。次に、ステップＳ３ａにおいて、走査角度幅βを所定値（所定幅）Ｙと比較する。比較の結果、走査角度幅βが所定値Ｙ未満であれば（β＜Ｙ）、ステップＳ４に移り、そのときの受信ビーム信号はメインローブ受信信号３０であると判断して、当該信号の振幅データを有効とする。一方、ステップＳ３ａでの比較の結果、走査角度幅βが所定値Ｙ以上であれば（Ｙ≦β）、ステップＳ５に移り、そのときの受信ビーム信号はグレーティングローブ受信信号３１であると判断して、当該信号の振幅データを無効とする。その他の処理については図８の場合と同じであるので、説明は省略する。
【００５９】
以上述べた実施形態では、グレーティングローブによる偽像を除去する方法について説明したが、実際にはグレーティングローブ以外にサイドローブによっても偽像が発生する。画面上に表れるサイドローブの偽像は、グレーティングローブの偽像ほど顕著なものではないが、探知対象物の画像と混在することで誤判定の原因となる。そこで、このサイドローブによる偽像を除去する方法について以下に説明する。
【００６０】
図１５は、別のシミュレーションによって求めた１走査分の受信ビーム信号の振幅特性および位相差特性を示したグラフである。ここでは、１０個の振動子をピッチ１．２λで円形配列し、音源方向を０°と３８°の２方向とし、ウエイト値としてガウス２σを用いた場合の特性を示している。このシミュレーションでも、図５〜図７の場合と同様に、走査角度を１°ずつ変えながら、−９０°から＋９０°までの範囲を走査した。
【００６１】
図１５（ａ）では、０°方向の音源によるグレーティングローブ受信信号３１が±５６°の方向に表れており、３８°方向の音源によるグレーティングローブ受信信号３２が−１８°と＋９０°の方向に表れている。３３はサイドローブにより受信された信号（以下、「サイドローブ受信信号」という）である。サイドローブ受信信号の場合、音源が１つであれば、位相差特性曲線は通常ゼロクロスしないが、音源が複数の場合は、図１５（ｂ）のように位相差特性曲線４３がゼロクロスすることがある。
【００６２】
図１５（ｂ）からわかるように、ゼロクロス点Ｚ近傍における位相差特性曲線の傾きをみると、メインローブ受信信号３０の位相差特性曲線４０の傾きは、グレーティングローブ受信信号３１，３２の位相差特性曲線４１，４２の傾きより大きく、サイドローブ受信信号３３の位相差特性曲線４３の傾きより小さくなっている。したがって、この関係を利用して、メインローブ受信信号３０のみを抽出し、グレーティングローブ受信信号３１，３２とサイドローブ受信信号３３を除去することができる。なお、図１５（ｂ）における３つの位相差特性曲線４３のうち、左側と右側の位相差特性曲線４３に対応するサイドローブ受信信号が図１５（ａ）に表れていないのは、図１５（ａ）の振幅範囲が０ｄＢ〜−４０ｄＢであり、実際のサイドローブ受信信号はこの範囲外に存在しているためである。
【００６３】
図１６は、この場合の手順を示したフローチャートであり、図８と同一処理を行うステップには同一符号を付してある。図１６では、ステップＳ１１において、変化量α（ここでは傾き）を所定値（所定量）Ｘ１，Ｘ２と比較する。ここで、Ｘ１とＸ２は、Ｘ１＜Ｘ２の関係にある。比較の結果、変化量αが所定値Ｘ１未満であれば（α＜Ｘ１）、ステップＳ１２に移り、そのときの受信ビーム信号はグレーティングローブ受信信号３１，３２であると判断して、当該信号の振幅データを無効とする。一方、ステップＳ１１での比較の結果、変化量αが所定値Ｘ１以上で所定値Ｘ２未満であれば（Ｘ１≦α＜Ｘ２）、ステップＳ１３に移り、そのときの受信ビーム信号はメインローブ受信信号３０であると判断して、当該信号の振幅データを有効とする。また、ステップＳ１１での比較の結果、変化量αが所定値Ｘ２以上であれば（Ｘ２≦α）、ステップＳ１４に移り、そのときの受信ビーム信号はサイドローブ受信信号３３であると判断して、当該信号の振幅データを無効とする。その他の処理については図８の場合と同じであるので、説明は省略する。
【００６４】
図１６の手順によれば、グレーティングローブだけでなくサイドローブで受信された信号に基づく偽像も除去することができるので、検出精度を更に向上させることができる。
【００６５】
図１６の手順においては、ステップＳ１１で位相差の変化量を所定値と比較したが、位相差の変化量に代えて、ゼロクロス点Ｚの前後で位相差が所定範囲にわたって変化するときの走査角度幅を用いてもよい。例えば、図１５（ｂ）において、ゼロクロス点Ｚの前後で位相差（縦軸）が±１８０°変化するときの走査角度幅（横軸）をみると、メインローブ受信信号３０の走査角度幅は、サイドローブ受信信号３３の走査角度幅より大きく、グレーティングローブ受信信号３１，３２の走査角度幅より小さくなっている。そこで、この関係を利用してメインローブ受信信号３０を抽出することができる。
【００６６】
図１７は、この場合の手順を示したフローチャートであり、図１４と同一処理を行うステップには同一符号を付してある。図１７では、ステップＳ２ａにおいて、位相差がゼロクロス点から±１８０°変化するときの走査角度幅βを算出する。次に、ステップＳ１１ａにおいて、走査角度幅βを所定値（所定幅）Ｙ１，Ｙ２と比較する。ここで、Ｙ１とＹ２は、Ｙ１＜Ｙ２の関係にある。比較の結果、走査角度幅βが所定値Ｙ１未満であれば（β＜Ｙ１）、ステップＳ１２ａに移り、そのときの受信ビーム信号はサイドローブ受信信号３３であると判断して、当該信号の振幅データを無効とする。一方、ステップＳ１１ａでの比較の結果、走査角度幅βが所定値Ｙ１以上で所定値Ｙ２未満であれば（Ｙ１≦β＜Ｙ２）、ステップＳ１３ａに移り、そのときの受信ビーム信号はメインローブ受信信号３０であると判断して、当該信号の振幅データを有効とする。また、ステップＳ１１ａでの比較の結果、走査角度幅βが所定値Ｙ２以上であれば（Ｙ２≦β）、ステップＳ１４ａに移り、そのときの受信ビーム信号はグレーティングローブ受信信号３１，３２であると判断して、当該信号の振幅データを無効とする。その他の処理については図１４の場合と同じであるので、説明は省略する。
【００６７】
図１７の手順によっても、グレーティングローブだけでなくサイドローブで受信された信号に基づく偽像を除去することができるので、検出精度を更に向上させることができる。
【００６８】
以上述べた実施形態では、受信ビームを走査させて探知を行う場合について述べたが、本発明は、受信ビームを走査させずに所定の方位に固定して探知を行う場合にも適用することができる。例えば、スキャニングソナーにおいてティルト角を一定角度に固定し、受信ビームを所定方位に形成することによって探知を行う場合、時間軸上の位相差に基づきメインローブで受信された信号かグレーティングローブで受信された信号かを判定することができる。
【００６９】
図１８は、この場合の実施形態を説明する概念図である。なお、水中探知装置の構成は図１と同じである。スキャニングソナーの送受波器１から、ティルト角をγに固定した状態で超音波を水中に送信し、送受波器１の上下に分割した振動子群で海底Ｂからのエコーを受信した場合、受信ビーム信号形成部９ａ，９ｂで形成された各受信ビーム信号の位相差は、図のような変化をする。すなわち、グレーティングローブＧＬによる受信ビーム信号の位相差は、区間Ｔ１に示すように、時間（距離）とともに＋１８０°から−１８０°まで、比較的大きな傾きで連続的に変化し、かつゼロクロスする。一方、メインローブＭＬによる受信ビーム信号の位相差は、区間Ｔ２に示すように、時間（距離）とともに＋１８０°から−１８０°まで、比較的小さな傾きで連続的に変化し、かつゼロクロスする。また、海底Ｂからのエコーが受信されない区間（Ｔ１，Ｔ２以外の区間）では、位相差はランダムに変化する。
【００７０】
したがって、この特性を利用して、メインローブ受信信号検出部１２で、各時刻（距離）における受信ビーム信号がメインローブＭＬで受信された信号かグレーティングローブＧＬで受信された信号かを判定し、メインローブ受信信号のみを抽出することができる。そして、抽出されたメインローブ受信信号に基づいて、海底画像を表示することにより、グレーティングローブ受信信号に基づく海底画像（偽像）が表示されなくなるため、探知対象物を誤判定するおそれが解消され、検出精度が向上する。なお、本実施形態においても、位相差特性曲線の傾きに代えて、所定時間内における位相差の変化幅や、ゼロクロス点の前後で位相差が所定範囲にわたって変化するときの時間幅を用いることができる。
【００７１】
図１９は、本発明の他の実施形態による水中探知装置６０の全体構成を示したブロック図である。図１９では、図１と同一部分に同一符号を付してある。図１９においては、図１の構成に加えて、標準偏差算出部１５、ばらつき判定部１６、および振幅減衰処理部１７が追加されている。その他の構成については図１と同じである。
【００７２】
漁撈においては、魚群の画像だけが表示されることが望ましいが、一般に、海底や海面からのエコーによる受信信号のレベルは、魚群からのエコーによる受信信号のレベルに比べて大きく、レベル情報だけでは、魚群からのエコーを海底や海面からのエコーと分離して検出することは難しい。そこで、図１９の実施形態は、メインローブ受信信号が魚群による信号か海底（または海面）による信号かを判定できるようにしたものである。
【００７３】
標準偏差算出部１５は、位相差算出部１１で算出されたメインローブ受信信号の位相差に基づいて、所定のサンプリング点（例えば４００点）にわたる位相差の標準偏差、すなわちばらつきを算出する。
【００７４】
図２０に示すように、送受波器１の上下に分割した振動子群により、ｎ１〜ｎ４の各サンプリング点（時刻）で魚群Ｆからのエコーを受信した場合、受信ビーム信号の特性は図２１のようになる。図２１（ａ）は位相差、図２１（ｂ）は振幅を表している。図２１（ａ）で黒丸で示したように、魚群によるエコーの場合は、位相差のばらつきが大きくなる。これは、魚群には規則性がなく、密度も不均一であることに起因している。一方、海底（または海面）によるエコーの場合は、魚群の場合に比べて位相差のばらつきは小さい。
【００７５】
ばらつき判定部１６は、上記のような特性を利用して、標準偏差算出部１５で算出された標準偏差を基準値と比較し、標準偏差が基準値以上であれば、メインローブ受信信号が魚群による信号であると判定し、標準偏差が基準値未満であれば、メインローブ受信信号が海底（または海面）による信号であると判定する。
【００７６】
振幅減衰処理部１７は、ばらつき判定部１６において標準偏差が基準値未満と判定された場合（海底または海面の場合）、振幅算出部１０で算出された振幅を減衰させる処理を行う。この場合の減衰量は、例えば次式により決定される。
減衰量＝（標準偏差−標準偏差閾値）×減衰倍率 ・・・（３）
一例として、標準偏差閾値は０．０４、減衰倍率は４００である。一方、ばらつき判定部１６において標準偏差が基準値以上と判定された場合（魚群の場合）、振幅減衰処理部１７は、振幅算出部１０で算出された振幅を減衰させる処理を行わない。
【００７７】
この結果、メインローブで受信されたエコーのうち、海底（または海面）からのエコーの信号レベルが減衰するため、魚群からのエコーの信号レベルが相対的に高くなって、表示部１４において魚群の画像を明瞭に表示することができる。すなわち、ＳＮ比が向上して魚群の検出精度が向上する。本実施形態は、魚群の大きさがメインビームの幅以上である場合に特に有効である。
【００７８】
以上のように、上述した各実施形態によれば、受信ビーム信号の位相差の変化態様が、メインローブの場合とグレーティングローブ等の場合とで異なることを利用して、メインローブで受信された信号のみを抽出できるので、振動子２の数が少なくても、信号処理によって偽像を除去することができる。このため、探知対象物を誤判定するおそれが解消され、検出精度を向上させることが可能となる。
【００７９】
本発明は、上述した以外にも種々の実施形態を採用することができる。たとえば、上記実施形態では、海面に対して垂直方向にスキャンを行う場合を例に挙げたが、海面に対して水平方向にスキャンを行う場合にも本発明を適用することができる。
【００８０】
また、図８、図１４、図１６、図１７の実施形態では、全走査分の処理が完了した後（ステップＳ７：ＹＥＳ）、振幅データを画像処理部１３に出力する（ステップＳ８）例を示したが、これに限らず、１走査分の信号処理を行う毎に、振幅データを画像処理部１３に出力するようにしてもよい。
【００８１】
また、上記実施形態では、１走査分の受信ビーム信号のゼロクロス点Ｚを全て算出した後、各ゼロクロス点Ｚについて位相差の変化量または走査角度幅を検証する例を示したが、これに限らず、ゼロクロス点Ｚを算出する毎に、そのゼロクロス点Ｚについて位相差の変化量または走査角度幅を検証するようにしてもよい。
【００８２】
また、図８、図１４、図１６、図１７のステップＳ１の前に、受信信号の強度が所定の値以上であるか否かを判定するステップを追加し、受信信号の強度が所定の値以上になってから、位相差のゼロクロス点Ｚの算出を開始するようにしてもよい。
【００８３】
また、上記実施形態では、複数の振動子２を円形配列した例を挙げたが、これに限らず、複数の振動子２が直線状あるいは平面状に配置されていてもよい。
【００８４】
さらに、上記実施形態では、本発明を水中探知装置に適用した例を示したが、これに限らず、本発明は医療用の超音波探知装置などにも適用することができる。
【図面の簡単な説明】
【００８５】
【図１】本発明の一実施形態による水中探知装置の全体構成を示したブロック図である。
【図２】送受波器の概略構成図である。
【図３】送受波器によるスキャンを説明する図である。
【図４】受信信号の位相の整相を説明する概念図である。
【図５】シミュレーションによる受信ビーム信号の振幅特性と位相差特性を示したグラフである。
【図６】他のシミュレーションによる受信ビーム信号の振幅特性と位相差特性を示したグラフである。
【図７】他のシミュレーションによる受信ビーム信号の振幅特性と位相差特性を示したグラフである。
【図８】メインローブ受信信号検出部の処理の詳細を示したフローチャートである。
【図９】シミュレーションによって得られた画像の例である。
【図１０】他のシミュレーションによって得られた画像の例である。
【図１１】他のシミュレーションによって得られた画像の例である。
【図１２】他のシミュレーションによって得られた画像の例である。
【図１３】他のシミュレーションによって得られた画像の例である。
【図１４】他の実施形態におけるメインローブ受信信号検出部の処理の詳細を示したフローチャートである。
【図１５】他のシミュレーションによる受信ビーム信号の振幅特性と位相差特性を示したグラフである。
【図１６】他の実施形態におけるメインローブ受信信号検出部の処理の詳細を示したフローチャートである。
【図１７】他の実施形態におけるメインローブ受信信号検出部の処理の詳細を示したフローチャートである。
【図１８】他の実施形態を説明する概念図である。
【図１９】他の実施形態による水中探知装置の全体構成を示したブロック図である。
【図２０】送受波器でエコーを受信する場合のサンプリング点を説明する図である。
【図２１】受信ビーム信号の位相差と振幅の特性を示す図である。
【図２２】水中探知装置で海底地形を探知する様子を示す図である。
【図２３】送受波器の受信時の指向特性を示す図である。
【符号の説明】
【００８６】
１ 送受波器
２ 振動子
２ａ，２ｂ 振動子群
９ａ，９ｂ 受信ビーム信号形成部
１０ 振幅算出部
１１ 位相差算出部
１２ メインローブ受信信号検出部
１３ 画像処理部
１４ 表示部
１５ 標準偏差算出部
１６ ばらつき判定部
１７ 振幅減衰処理部
３０ メインローブ受信信号
３１，３２ グレーティングローブ受信信号
３３ サイドローブ受信信号
４０〜４３ 位相差特性曲線
５０，６０ 水中探知装置
Ｚ ゼロクロス点
【特許請求の範囲】
【請求項１】
探知対象物で反射した超音波エコーを複数の振動子で受信し、当該受信信号に基づいて前記探知対象物の画像を表示する超音波探知装置において、
各振動子の受信信号を整相することにより、２つの受信ビーム信号を探知範囲内の走査角度ごとに形成する受信ビーム信号形成部と、
前記受信ビーム信号形成部で形成された２つの受信ビーム信号の位相差を走査角度ごとに算出する位相差算出部と、
前記位相差算出部で算出された位相差の変化態様に基づいて、各走査角度における受信ビーム信号がメインローブで受信された信号かグレーティングローブで受信された信号かを判定する判定手段と、
前記判定手段の判定結果に応じて、メインローブで受信された信号に基づく探知対象物の画像を表示し、グレーティングローブで受信された信号に基づく探知対象物の画像を表示しないように制御する制御手段と、
を備えたことを特徴とする超音波探知装置。
【請求項２】
請求項１に記載の超音波探知装置において、
前記位相差の変化態様が、位相差特性曲線のゼロクロス点近傍における位相差の変化量であり、
前記判定手段は、前記変化量が所定量以上である場合に、受信ビーム信号がメインローブで受信された信号であると判定することを特徴とする超音波探知装置。
【請求項３】
請求項１に記載の超音波探知装置において、
前記位相差の変化態様が、位相差特性曲線のゼロクロス点近傍の前後で位相差が所定範囲にわたって変化するときの走査角度幅であり、
前記判定手段は、前記走査角度幅が所定幅未満である場合に、受信ビーム信号がメインローブで受信された信号であると判定することを特徴とする超音波探知装置。
【請求項４】
請求項２に記載の超音波探知装置において、
前記判定手段は、各走査角度における受信ビーム信号がサイドローブで受信された信号か否かを判定する機能を更に備え、
前記所定量として第１の所定量とこれより大きい第２の所定量とを設定した場合、前記位相差の変化量が第１の所定量未満であれば、グレーティングローブで受信された信号であると判定し、前記位相差の変化量が第１の所定量以上で第２の所定量未満であれば、メインローブで受信された信号であると判定し、前記位相差の変化量が第２の所定量以上であれば、サイドローブで受信された信号であると判定し、
前記制御手段は、グレーティングローブおよびサイドローブで受信された信号に基づく探知対象物の画像を表示しないように制御することを特徴とする超音波探知装置。
【請求項５】
請求項３に記載の超音波探知装置において、
前記判定手段は、各走査角度における受信ビーム信号がサイドローブで受信された信号か否かを判定する機能を更に備え、
前記所定幅として第１の所定幅とこれより小さい第２の所定幅とを設定した場合、前記走査角度幅が第１の所定幅以上であれば、グレーティングローブで受信された信号であると判定し、前記走査角度幅が第１の所定幅未満で第２の所定幅以上であれば、メインローブで受信された信号であると判定し、前記走査角度幅が第２の所定幅未満であれば、サイドローブで受信された信号であると判定し、
前記制御手段は、グレーティングローブおよびサイドローブで受信された信号に基づく探知対象物の画像を表示しないように制御することを特徴とする超音波探知装置。
【請求項６】
探知対象物で反射した超音波エコーを複数の振動子で受信し、当該受信信号に基づいて前記探知対象物の画像を表示する超音波探知装置において、
各振動子の受信信号を整相することにより、２つの受信ビーム信号を探知範囲内の所定方位に形成する受信ビーム信号形成部と、
前記受信ビーム信号形成部で形成された２つの受信ビーム信号の位相差を時間軸上で算出する位相差算出部と、
前記位相差算出部で算出された位相差の変化態様に基づいて、各時刻における受信ビーム信号がメインローブで受信された信号かグレーティングローブで受信された信号かを判定する判定手段と、
前記判定手段の判定結果に応じて、メインローブで受信された信号に基づく探知対象物の画像を表示し、グレーティングローブで受信された信号に基づく探知対象物の画像を表示しないように制御する制御手段と、
を備えたことを特徴とする超音波探知装置。
【請求項７】
請求項１ないし請求項６のいずれかに記載の超音波探知装置において、
前記位相差算出部で算出された位相差の標準偏差を算出する標準偏差算出部を更に備え、
前記標準偏差算出部で算出された標準偏差に基づいて、メインローブで受信された信号が魚群による信号か海底または海面による信号かを判定し、海底または海面による信号と判定した場合は、受信ビーム信号の振幅を減衰させることを特徴とする超音波探知装置。
【請求項１】
探知対象物で反射した超音波エコーを複数の振動子で受信し、当該受信信号に基づいて前記探知対象物の画像を表示する超音波探知装置において、
各振動子の受信信号を整相することにより、２つの受信ビーム信号を探知範囲内の走査角度ごとに形成する受信ビーム信号形成部と、
前記受信ビーム信号形成部で形成された２つの受信ビーム信号の位相差を走査角度ごとに算出する位相差算出部と、
前記位相差算出部で算出された位相差の変化態様に基づいて、各走査角度における受信ビーム信号がメインローブで受信された信号かグレーティングローブで受信された信号かを判定する判定手段と、
前記判定手段の判定結果に応じて、メインローブで受信された信号に基づく探知対象物の画像を表示し、グレーティングローブで受信された信号に基づく探知対象物の画像を表示しないように制御する制御手段と、
を備えたことを特徴とする超音波探知装置。
【請求項２】
請求項１に記載の超音波探知装置において、
前記位相差の変化態様が、位相差特性曲線のゼロクロス点近傍における位相差の変化量であり、
前記判定手段は、前記変化量が所定量以上である場合に、受信ビーム信号がメインローブで受信された信号であると判定することを特徴とする超音波探知装置。
【請求項３】
請求項１に記載の超音波探知装置において、
前記位相差の変化態様が、位相差特性曲線のゼロクロス点近傍の前後で位相差が所定範囲にわたって変化するときの走査角度幅であり、
前記判定手段は、前記走査角度幅が所定幅未満である場合に、受信ビーム信号がメインローブで受信された信号であると判定することを特徴とする超音波探知装置。
【請求項４】
請求項２に記載の超音波探知装置において、
前記判定手段は、各走査角度における受信ビーム信号がサイドローブで受信された信号か否かを判定する機能を更に備え、
前記所定量として第１の所定量とこれより大きい第２の所定量とを設定した場合、前記位相差の変化量が第１の所定量未満であれば、グレーティングローブで受信された信号であると判定し、前記位相差の変化量が第１の所定量以上で第２の所定量未満であれば、メインローブで受信された信号であると判定し、前記位相差の変化量が第２の所定量以上であれば、サイドローブで受信された信号であると判定し、
前記制御手段は、グレーティングローブおよびサイドローブで受信された信号に基づく探知対象物の画像を表示しないように制御することを特徴とする超音波探知装置。
【請求項５】
請求項３に記載の超音波探知装置において、
前記判定手段は、各走査角度における受信ビーム信号がサイドローブで受信された信号か否かを判定する機能を更に備え、
前記所定幅として第１の所定幅とこれより小さい第２の所定幅とを設定した場合、前記走査角度幅が第１の所定幅以上であれば、グレーティングローブで受信された信号であると判定し、前記走査角度幅が第１の所定幅未満で第２の所定幅以上であれば、メインローブで受信された信号であると判定し、前記走査角度幅が第２の所定幅未満であれば、サイドローブで受信された信号であると判定し、
前記制御手段は、グレーティングローブおよびサイドローブで受信された信号に基づく探知対象物の画像を表示しないように制御することを特徴とする超音波探知装置。
【請求項６】
探知対象物で反射した超音波エコーを複数の振動子で受信し、当該受信信号に基づいて前記探知対象物の画像を表示する超音波探知装置において、
各振動子の受信信号を整相することにより、２つの受信ビーム信号を探知範囲内の所定方位に形成する受信ビーム信号形成部と、
前記受信ビーム信号形成部で形成された２つの受信ビーム信号の位相差を時間軸上で算出する位相差算出部と、
前記位相差算出部で算出された位相差の変化態様に基づいて、各時刻における受信ビーム信号がメインローブで受信された信号かグレーティングローブで受信された信号かを判定する判定手段と、
前記判定手段の判定結果に応じて、メインローブで受信された信号に基づく探知対象物の画像を表示し、グレーティングローブで受信された信号に基づく探知対象物の画像を表示しないように制御する制御手段と、
を備えたことを特徴とする超音波探知装置。
【請求項７】
請求項１ないし請求項６のいずれかに記載の超音波探知装置において、
前記位相差算出部で算出された位相差の標準偏差を算出する標準偏差算出部を更に備え、
前記標準偏差算出部で算出された標準偏差に基づいて、メインローブで受信された信号が魚群による信号か海底または海面による信号かを判定し、海底または海面による信号と判定した場合は、受信ビーム信号の振幅を減衰させることを特徴とする超音波探知装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【図１７】
【図１８】
【図１９】
【図２０】
【図２１】
【図２２】
【図２３】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【図１７】
【図１８】
【図１９】
【図２０】
【図２１】
【図２２】
【図２３】
【公開番号】特開２０１０−７１８４１（Ｐ２０１０−７１８４１Ａ）
【公開日】平成２２年４月２日（２０１０．４．２）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００８−２４０５１８（Ｐ２００８−２４０５１８）
【出願日】平成２０年９月１９日（２００８．９．１９）
【出願人】（０００１６６２４７）古野電気株式会社 (441)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２２年４月２日（２０１０．４．２）
【国際特許分類】
【出願日】平成２０年９月１９日（２００８．９．１９）
【出願人】（０００１６６２４７）古野電気株式会社 (441)
【Ｆターム（参考）】
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