音波撮像装置
【課題】海中での音波撮像装置において、海底堆積層が存在することによって生じる音波画像の位置のズレ・低いコントラスト（ぼやけ）・輪郭の歪み解消し、高精細・高解像度の音波画像を得る。
【解決手段】ソーナー送受信部３００で受信した信号から底質計算部３０２で海底堆積層の物理パラメータを推定し、推定された物理パラメータから画像補償計算部３０４で堆積層の補正用データを生成する。補償画像処理部３０６は、この補正用データとソーナー受信信号３０７を用いて、堆積層の音波伝搬に起因する受信信号もしくは音波画像のズレや歪みが補正されたソーナー画像を生成する。さらに、対照情報生成部において、補正された音波画像と基準画像３１０を比較し、その残渣分をさらなる補正にフィードバックして補正の高精度化を行う。
【解決手段】ソーナー送受信部３００で受信した信号から底質計算部３０２で海底堆積層の物理パラメータを推定し、推定された物理パラメータから画像補償計算部３０４で堆積層の補正用データを生成する。補償画像処理部３０６は、この補正用データとソーナー受信信号３０７を用いて、堆積層の音波伝搬に起因する受信信号もしくは音波画像のズレや歪みが補正されたソーナー画像を生成する。さらに、対照情報生成部において、補正された音波画像と基準画像３１０を比較し、その残渣分をさらなる補正にフィードバックして補正の高精度化を行う。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、音波撮像装置に関し、特にソーナーなどの水中での音波撮像装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
海底の堆積層の中の構造や、海底堆積層内の対象物を画像化するための手法として、音響的手法による画像化技術が検討されている。海底堆積層の内部には光が透過せず、また海水／堆積層の電磁気の透過率が著しく低いことから、海底堆積層内の画像化に対してはソーナー（SONAR）などを用いた音響的手法が第一選択となる。しかしながら、堆積物は海水に比べて著しく音波の減衰率が大きいという特徴を持っている。特に音波が高い周波数になるに従って指数関数的に減衰率が大きくなるため、ソーナー高周波化（短波長化）によってソーナー画像の空間分解能を向上させようという試みに対する大きな障壁となる。そのため、この障壁を越えて、高いコントラストかつ高いＳ／Ｎ比（信号／雑音比）で海底堆積層内の画像を生成するための音波撮像方式や信号処理方式／アルゴリズムが望まれている。
【０００３】
海底堆積層の影響を考えた技術に関して、以下のものがある。特開2002-311136号公報には、上下に２分割されたソーナーの受信信号からラグタイムの差分を求め、目標が海底面上か、海底下に埋没しているかを、閾値を用いて判別する技術が開示されている。特開平9-304527号公報には、ＢＬ（Bottom Loss）データを用いて、反射損失から堆積層の密度や減衰係数で表される音響パラメータを推定する技術が開示されている。本技術によれば、堆積層が深さ方向に均質な特性を持つと仮定したときの、密度や減衰率を推算することができる。特開平10-221444号公報には、堆積層深度方向に周波数を少しずつ変化させた音波を照射することによって、深さ方向の密度分布を測定する技術が開示されている。また、WO1999004287A1には、堆積層に埋まっている被対象物に視点をおき、対象物の音響的な歪み変形が反射音信号への非線形歪みとして表れることを用いて、堆積層に埋没した物体を探知する技術が開示されている。
【０００４】
【特許文献１】特開2002-311136号公報
【特許文献２】特開平9-304527号公報
【特許文献３】特開平10-221444号公報
【特許文献４】WO1999004287A1
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
これまで、堆積層の物理的特性を推定する技術と、予め存在するデータベースとしての堆積層の特性と音響データとを照らし合わせて音響パラメータを推算する技術が知られている。しかしながら、海底堆積層内の音波伝搬の影響、すなわち堆積層が存在することによって生じる画像のズレや歪み分を、画像処理の中で補正する技術はなかった。
【０００６】
本発明は、海底堆積層が存在することによって生じる音波画像の位置のズレ・低いコントラスト（ぼやけ）・輪郭の歪み解消し、高精細・高解像度の音波画像を形成することのできる音波撮像装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明の音波撮像装置は、海底堆積層による音波伝搬の影響を補正する画像処理アルゴリズムを備える。この画像処理アルゴリズムでは、まず堆積層の物理パラメータを推定し、推定された物理パラメータからソーナー画像処理中の計算パラメータの補正を行う。この補正された計算パラメータを用いてソーナー画像の生成を行い、堆積層の音波伝搬に起因する受信信号もしくは画像のズレや歪みが補正されたソーナー画像を得る。さらに、補正されたソーナー画像と基準画像とを比較し、その残渣分をさらなる補正にフィードバックして補正の高精度化を行う。
【０００８】
さらに、本発明の音波撮像装置は、前記の補償において推定された堆積層の物理パラメータを利用して、場所によって異なる堆積層の物理パラメータに対して、音波の送信条件を制御して与えることで、より好適な条件で音波の送受信を行う音波送波アルゴリズムを備える。
【発明の効果】
【０００９】
本発明によれば、海底堆積層内の音波伝搬特性が音波画像に与える影響を補正して、画像のズレ分や歪みを解消し、音波画像の分解能、Ｓ／Ｎ比、コントラスト、及び海底堆積層内の物体の検出感度を向上させることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１０】
以下、図面を参照して、本発明の実施形態を説明する。まず、図１及び図２を用いて海中及び海底堆積層内の画像化について説明を行う。次に、図３から図８を用いて、本発明の音波撮像装置における画像処理アルゴリズムを詳しく説明する。その後、図９から図２５を用いて、本発明における音波撮像装置の具体的な実施例について、画像処理アルゴリズム中の各種処理の説明及び堆積層内の音波伝搬シミュレーションの結果を交えて、さらに詳しく説明を行う。
【００１１】
図１は、海中における音波撮像装置の概略図である。海中での音波撮像は、船体１００や、航走体１０１に備え付けられたソーナー１０２を用いて行われる。船体１００では例えば、船体の真下に備え付けられたハル型ソーナーなどが使用される。ハル型ソーナーでは、海水面の高さからのオペレーションしかできないため、近年、無人航走体（ＵＵＶ：Unmanned Underwater Vehicle）、自律型航走体（ＡＵＶ：Automatic Underwater Vehicle）と呼ばれる、無人／自動の航走体１０１を利用した海中・海底の音響撮像が盛んに検討されている。ＵＵＶやＡＵＶを使用することで水深が深い所での音波画像取得が可能になる。ソーナー１０２からの送信音波１０３は、対象物１０４や海底面１０５に到達し、その反射音が受波音波１０６となって、ソーナー１０２において受波される。複数の方向や異なる場所において受信された受波音波１０６を合成することで、対象物１０４や海底面１０５の形状を反映した、ソーナー画像１０７が作られる。
【００１２】
通常、このようなソーナー画像は海中の音波伝搬を仮定して作られる。例えば、ソーナー１０２から角度θ＝６０°で送波された送波音波に対する対象物１０４からの反射音波がソーナー１０２において０．１秒後に受波されたとき、対象物のソーナーからの水平距離ｄは、片道分の音波伝搬時間ｔ＝０．０５[s]及び、海水中の音速ｃ＝１，５２２[m/s]を用いて、
ｄ＝ｃ×ｔ×cosθ＝１，５２２[m/s]×０．０５[s]×cos６０°＝３８．０５[m]
と計算され、ソーナー画像１０７の上に対象物の結像画像１０８として描出される。一方で、このような海中での音響画像取得においては、海底堆積層１０９の存在が問題となる。例えば、図１に示されるように対象物１１０が海底堆積層１０９に埋まってしまっている場合がある。このとき、対象物１１０をソーナー画像として結像させるに際し、周囲の海底堆積層１０９の内部での音波伝搬特性が大きく影響することは明らかである。
【００１３】
図２を用いて、海底堆積層内部の音波伝搬特性がソーナー画像の生成に及ぼす影響を説明する。まず海中に対象物がある場合、ソーナー２００から送信される音波２０１は、海中のみを伝搬して対象物２０２に到達する。そのため、図１のソーナー画像１０７と同様に、ソーナー画像２０３の中には対象物の結像２０４が行われる。一方で、堆積層２０５の中に対象物２０６が存在した場合、ソーナーからの送信音波２０７は海底堆積層に入射する。海底堆積層の音速は海中での音速と違うため、音波の屈折が生じて音の伝搬経路は海中のときと異なってしまう。また、海底堆積層内での音の減衰率は海中と比べて大きいため、音波の大きさも小さくなる。さらに、海底面は、海水と堆積層の間での密度不連続面となるため、海底面での反射も小さくない。これらの結果として、得られるソーナー画像２０８の中に表れる対象物２０６の結像画像２０９は、海中での結像画像と比べたときに、屈折による位置のズレ、小さい音波の大きさによる画像の低コントラスト（ぼやけ）、及び海底面での散乱に起因した画像の輪郭の歪みなどを生じてしまう。さらに、堆積層の特性によって、これら屈折、減衰及び散乱の程度がさらに大きくなると、海底堆積層内の対象物はソーナー画像の中に結像しない（像がない）場合もある。すなわち、海底堆積層内の画像化、もしくは海底堆積層内の対象物の結像を正確に行うためには、以下の不都合、すなわち、（ａ）海底堆積層の影響によってソーナー画像に位置ズレ・ぼやけ・輪郭の歪みを生じること、（ｂ）海底堆積層の影響によって対象物がソーナー画像内に結像しないこと、の２点を解消する必要がある。
【００１４】
本発明においては、２通りの方法で上記の不都合を解消する。まず、（１）ソーナー画像の生成処理中に堆積層の音波伝搬特性に起因するズレ分を補正し、堆積層の影響を補正した画像を作ること。次に、（２）堆積層の特性に対して好適な音波送波条件で音波を送信すること、である。図３〜図７は（１）の処理アルゴリズムの例について説明するものであり、図８が（２）の処理アルゴリズムの例について説明するものである。なお、図３〜図８には、画像処理アルゴリズム及びそのような画像処理アルゴリズムを備えた音波撮像装置の骨格を示し、アルゴリズム内部に表れるパラメータ・画像・データの詳細については後述する。
【００１５】
図３に、本発明による音波撮像装置の実施例と共に、本発明による画像処理アルゴリズムの一実施例を示す。図３に示したアルゴリズムは、堆積層音波伝搬特性を補償する本発明の基本アルゴリズムである。本実施例においては、まず第１送受部として、ソーナー送受信部３００が具備される。ソーナー送受信部３００は音波を送波し受波を行う。音波を送波した方向に海底堆積層が存在する場合、図１，図２で示したように、受波信号は海底堆積層の影響を受ける。一方でこの場合、受波信号の中には、海底の音波伝搬特性の情報が含まれることも明らかである。そこで、ソーナーの受信信号３０１は第１計算部である底質計算部３０２に伝達される。後で詳しく説明を行うが、ここで「底質」とは堆積層内の密度分布や透水係数といった物理パラメータの一つもしくはその複数の物理パラメータの集合を表す。底質計算部３０２は、ソーナー送受信部が受信した受信信号に基づいて、堆積層の底質を表す物理パラメータすなわち演算用パラメータ３０３を推算する。
【００１６】
次に、この演算用パラメータ３０３は、第２計算部である画像補償計算部３０４へと伝達される。画像補償計算部３０４では、堆積層の補正用データ３０５を計算する。補正用データ３０５は、例えばソーナー画像処理プロセスにおける堆積層の補償量や処理プロセス内部での補償係数である。次に、補正用データ３０５は第３計算部である補償画像処理部３０６へ伝達される。補償画像処理部３０６へは同時に、ソーナーの受信信号３０７も伝達される。補償画像処理部３０６では、ソーナーの受信信号を画像処理してソーナー画像を作成する時に、補正用データ３０５を用いて、堆積層の音波伝搬特性が補償された補正画像データ３０８を生成する。ここまでの補正画像データ３０８の生成プロセスにおいて、一次的な堆積層の底質を補償した処理が完了する。補償画像処理部３０６で生成されたソーナー画像は、画像表示部に表示される。
【００１７】
本発明では、さらに補正画像データ３０８を第４計算部である対照情報生成部３０９に伝達する。対照情報生成部３０９には別途、基準画像３１０が入力される。対照情報生成部３０９においては、この基準画像３１０と堆積層の一次的な補償を行った補正画像データ３０８を比較して、対照情報３１１すなわち堆積層の補正効果を表す量を計算する。さらにこの対照情報３１１は第５計算部である底質パラメータ修正部３１２に伝達される。この底質パラメータ修正部においては、対照情報３１１を用いて、底質計算部３０２で計算された演算用パラメータの修正量もしくは修正後のより確からしい堆積層の底質を表す、修正された演算用パラメータを計算する。以上、図３に示した実施例によれば、堆積層の音波伝搬特性による影響が一次的に補正されたソーナー画像及び、修正された堆積層の物理パラメータを計算することができる。
【００１８】
図４に、本発明の音波撮像装置の実施例及び画像処理アルゴリズムの実施例のひとつを示す。図４は、図３における基準画像３１０についてより詳しい実施例を示すものである。基準画像３１０は対照情報生成部３０９に対して入力される画像データであるが、その画像データには２通りの実施例がある。
【００１９】
まず、一方の実施例について図４を使って説明する。ここでは第６計算部である通常ソーナー画像処理部４００が具備される。通常ソーナー画像処理部４００では、ソーナー送受信部３００が受信する音波信号に基づいて、図３に示した本発明による堆積層補正の一次的処理を通さずに、通常のソーナーによる音波画像を生成する。すなわち通常ソーナー画像処理部は、ソーナー送受信部の受信信号４０１（図３の３０７と同一の情報）の入力を受け、原画像すなわち通常のソーナー画像４０２を生成する。通常のソーナー画像４０２はそのまま、対照情報生成部３０９へ入力する基準画像３１０として使用することができる。対照情報生成部３０９においては、基準画像３１０としての通常のソーナー画像４０２と、補償画像処理部３０６から送られた補正画像３０８の比較を行い、通常ソーナー画像４０２からどれだけ補正が行われたかどうか、すなわち通常ソーナー画像４０２からの変化量を計算する。この補正量の大きさが、ここでの対照情報３１１となる。
【００２０】
もう一方の実施例を、同じく図４を使って説明する。本実施例の場合、メモリ／記憶部である参照画像記憶部４０３を具備する。参照画像記憶部４０３には、予め用意された最適な補償画像が保持されており、この最適な補償画像４０４が基準画像として利用される。この最適な補償画像４０４は、そのまま対照情報生成部３０９へ入力する基準画像３１０として使用することができる。対照情報生成部３０９においては、基準画像３１０としての最適な補償画像４０４と、補償画像処理部３０６から送られた補正画像３０８の比較を行い、最適な補償画像４０４にどれだけ補正が近づいたかどうか、すなわち、最適な補償画像４０４との漸近の程度を表す量を計算する。この漸近の程度を表す量が、ここでの対照情報３１０となる。
【００２１】
さらに図４を用いて、上記の２つの基準画像出力ブロックが両方具備された実施例について説明する。本実施例では、基準画像として、通常ソーナー画像４０２もしくは最適な補償画像４０４のどちらかを選択して使用する。この場合、図４に示したように、第６計算部である通常ソーナー画像処理部４００とメモリ／記憶部である参照画像記憶部４０３の両方が具備され、さらに第４計算部である対照情報生成部３０９に対して入力される基準画像３１０を、原画像である通常ソーナー画像４０２とメモリ／記憶部に有する最適な補償画像４０４のいずれかに切り替える、第１入力切替部４０５を有する。
【００２２】
図５に、本発明の音波撮像装置の実施例及び画像処理アルゴリズムの実施例の一つとして、演算用パラメータのフィードバックループを備えた実施例を示す。ここでは、第５計算部である底質パラメータ修正部３１２で計算された修正された演算用パラメータ５００を、新たに第２計算部である画像補償計算部３０４への入力として用いる。また、図５には、第２入力切替部である入力切替部５０１が具備されているが、この入力切替部５０１を用いて、底質計算部３０２で一次的に計算された底質である演算用パラメータ３０３と、前記修正された演算用パラメータ５００のいずれかを切り替えて新たに画像補償計算部へ入力される演算用パラメータ５０２としてもよい。本実施例では、演算用パラメータのフィードバックループを備えることによって、ソーナーの送受信部３００によって受信された受信信号３０１から一次的に推算された堆積層の物理パラメータを修正することにより、演算用パラメータをより実際の底質を表すと考えられる物理パラメータに近づけてゆくことが可能となり、よりズレが少なく、コントラスト比が向上し、さらに輪郭のぼやけの少ない、高画質・高分解能な堆積層の音波伝搬特性が補正されたソーナー画像を得ることができる。
【００２３】
図６に、本発明の音波撮像装置の実施例及び画像処理アルゴリズムの実施例のひとつとして、第２送受部である底質測定器６００を具備する場合について説明する。底質測定器６００は第１送受部とは別に、独立して音波の送受を行う送受信部であり、第１送受部とは異なる音波を海底堆積層に向かって送波し、海底堆積層からの反射音を受信する。底質測定器６００で受信された信号は受信信号６０１として、第１計算部である底質計算部３０２に入力される演算用パラメータ６０３として利用することができる。
【００２４】
第１送受部であるソーナー送受信部３００では、ソーナー画像取得を行うために音波の送受を行うという制約がある。ソーナー送受信部３００とは別に底質測定器６００を備えることによって、底質パラメータの推算のみに特化した音波の送受信が可能となる。例えば、ソーナー送受信部３００では、５ｋＨｚの周波数を送信し、一方で底質測定器６００では１００ｋＨｚの音波を送受信することが可能となる。これにより、ソーナー画像作成においてはソーナー送受信部３００で受信された５ｋＨｚの送信音波に対する受信音波を用い、一方で底質推算すなわち本発明における演算用パラメータの推算においては底質測定器６００で受信した１００ｋＨｚの送信音波に対する受信信号を用いて、より詳細な底質を表す物理パラメータの推算を行うことができる。また、本実施例においては、ソーナー送受信部３００で受信された受信信号３０１と底質測定器６００で受信された受信信号６０１を切り替える第３入力切替部６０２を有し、いずれかの信号を、底質計算部３０２へ伝達される入力信号６０３とすることができるように構成してもよい。
【００２５】
次に、図６を用いて本発明の音波撮像装置の実施例及び画像処理アルゴリズムの実施例の一つとして、データベース部である既知密度分布データ６０４を具備する場合について説明する。予め、ソーナーの画像化を行う海域の底質が既知の場合がある。事前のオペレーションや底質調査によって、堆積層内の密度分布などの物理パラメータの情報が取得されている場合である。このとき、海底堆積層の底質データすなわち本発明における演算用パラメータを格納するデータベース部すなわち既知密度分布データ６０４を具備していてもよい。既知密度分布データ６０４は、第２計算部に対して入力する演算用パラメータ６０５を出力することができる。また、既知密度分布データ６０４は第２入力切替部５０１に対して既知の演算用パラメータ６０５として入力することができ、さらに、第２入力切替部５０１は、底質計算部３０２で計算された演算用パラメータ３０３と第５計算部で修正された演算用パラメータ５００と既知の演算用パラメータ６０５のうちいずれか１つの演算用パラメータを切り替えて、第２計算部である画像補償計算部３０４に対して伝達される演算用パラメータ６０６として出力することができるように構成してもよい。
底質測定器６００及び／又はデータベース部である既知密度分布データ６０４は、図３〜図５に示した音波撮像装置に付加してもよい。
【００２６】
図７を用いて、本発明の音波撮像装置の実施例及び画像処理アルゴリズムの実施例のひとつとして、演算用パラメータの調整部がある場合について説明する。本実施例においては、調整部である底質パラメータツマミ部７００が具備される。ここで、底質パラメータツマミ部７００は、第２計算部である画像補償計算部３０４に対して入力される演算用パラメータ（５０２，６０６など）の値を調整することができ、調整された演算用パラメータ７０２として画像補償計算部３０４に入力することができる。さらに、画像補償計算部３０４は、調整された演算用パラメータを用いて、補正用データ３０５を計算する。また、調整部である底質パラメータツマミ部７００は、図３〜図６に示した音波撮像装置に付加してもよい。
【００２７】
図７は、さらに、本発明の音波撮像装置の実施例及び画像処理アルゴリズムの実施例のひとつとして、演算用パラメータの表示部７０３がある場合について説明するものである。ここでは、第１計算部である底質計算部で計算された演算用パラメータ、前記データベース部に用意された演算用パラメータ（これらは、図７では底質パラメータ７０４として示している）及び前記調整部である底質パラメータツマミ部で調整された演算用パラメータ７０５のうち一つもしくは複数の組み合わせの演算用パラメータの値を表示する表示部である底質表示部７０３を具備する。この底質表示部７０３は、図３〜図６に示した音波撮像装置に付加してもよい。
【００２８】
以上、図３〜図７を用いて本発明の音波撮像装置の実施例及び海底堆積層の画像補償アルゴリズムの実施例について説明を行ったが、海底堆積層の底質を表す物理パラメータが計算されることが本発明の特徴の一つであり、この物理パラメータは画像処理のみならず、ソーナーの送信条件の制御にも利用することができる。すなわち、ソーナーを使用するその場その場に応じて、堆積層の影響を考えたソーナー送信条件を決定するためにも利用することができる。
【００２９】
図８に、上記を鑑みた本発明の音波撮像装置の実施例を示す。本実施例は、ソーナー送信信号制御部８００を具備する。底質パラメータの計算は、図３〜図７に示した画像処理アルゴリズムのブロック８０１で行われる。ソーナー送信信号制御部８００は、図３〜図７中で説明されたいかなる演算用パラメータの入力８０２受けてもよい。例えば、第１計算部である底質計算部において計算された底質の物理パラメータを推算した値である演算用パラメータであっても、データベース部に蓄えられた演算用パラメータであっても、第５計算部である底質パラメータ修正部において修正された演算用パラメータであってもよい。ソーナー送信信号制御部８００では、伝達されたいずれかの演算用パラメータ８０２を用いて、対象とする堆積層に適した音波送信条件を決定する。例えば、ソーナー送受信部での送信音波の周波数として、５ｋＨｚが使用されているときに、計算された演算用パラメータから、海底堆積層内部に直線で伝搬する周波数を計算し、たとえば、好適な周波数が８ｋＨｚであった場合に、第１送受部であるソーナー送受信部３００に、制御信号８０３を入力することで新たに、ソーナー送受信部３００から制御された８ｋＨｚの周波数の送信音波８０４を送信することができる。
【００３０】
これにより、より好適な音波照射条件において取得された受信信号に基づいて、海底堆積層音波伝搬特性を補償した画像処理を行うことが可能となり、よりズレが少なく、コントラスト比が向上し、さらに輪郭のぼやけの少ない、高画質・高分解能な堆積層の音波伝搬特性が補正されたソーナー画像を得ることができる。
【００３１】
以上、図３〜図８を用いて、本発明による音波撮像装置及び海底堆積層音波伝搬特性を補正する画像処理アルゴリズムに関する骨格を示した。以下、図９〜図２５を用いて、図３〜図８の中に表れる各ブロック、各種パラメータ、補正データやソーナー画像に関して発明の効果を交えながら説明を行う。
【００３２】
最初に、図９を用いて、海底堆積層の「底質」に関して説明を行う。図９に示すように、海底堆積層９００は、固体粒子９０１と、固体粒子の間に存在する海水などの液体である間隙流体９０２の混合物として、多孔質媒質を構成する。このような海底堆積層の「底質」を最も大きく特徴づけるパラメータとしては、海底堆積層を構成する固体粒子９０１の平均粒径ｄがある。一般的に平均粒径ｄの大きさが３．９μｍ以下のものをClay（泥）、６２．５μｍ以上のものをSand（砂）、その間の平均粒径のものをSilt（シルト）と呼ぶ。海底堆積層の物理パラメータには他にも様々な量が存在するが、基本的にこの平均粒径ｄが海底堆積層の音波伝搬特性を大きく支配する。
【００３３】
次に、重要な海底堆積層の「底質」を表すパラメータは間隙率βである。間隙率βは海底堆積層９００に含まれる間隙流体９０２の体積分率を表す０〜１の量である。すなわち、海底堆積層の密度ρ（液体と固体の混合物としての密度）は、固体粒子９０１の密度ρr及び間隙流体９０２の密度ρfを用いて、以下の（１）式で表すことができる。
ρ＝ρr（１−β）＋ρfβ （１）
【００３４】
この（１）式から明らかなように、間隙率βは海底堆積層の「混合物としての密度」と密接に絡んでおり、極めて重要な海底堆積層の物理パラメータである。一方で、海底堆積層の平均粒径ｄと間隙率βの間には一般的に、図９の下図に９０４で示すように、平均粒子径が大きくなるに従って、間隙率βが小さくなる、という相関関係がある。よって海底堆積層の平均粒径ｄがわかれば、おおよその間隙率βが予測でき、また間隙率βがわかれば、海底堆積層のおおよその平均粒径ｄを予測することができる。さらには、間隙率βはそのほかにも、後述の堆積層物理パラメータを予測するために重要なパラメータとなっており、海底堆積層の「底質」を表す最も重要なパラメータの一つである。
【００３５】
次に、図１０を用いて、送受部から送信される送信音波の周波数の選定について説明する。図１０のグラフの横軸はＨｚ（ヘルツ）で表した音波の周波数であり、縦軸は海底堆積層内の音波のｄＢ／ｍで表した減衰率である。また、図中の線は、さまざまな底質における音波の減衰率のシミュレーション結果を表している。ここでの底質とは堆積物内の粒子の粒径を意味しており、粒径Sandから、順に粒径が小さくなる方向に、Silty Sand、Sandy Silt、Silt、Clayey Silt、Clayのケースを併せて示している。βと平均粒径が一次的には一対一対応することは図９において説明したとおりである。また図１０中のプロット◇は、過去の実験データ（E. L. Hamilton, “Geoacoustic modeling of the sea floor,”J. Acoust. Soc. Am., 68(5), 1313-1340(1980)）である。
【００３６】
図１０をみると、粒径の違いによる多少の値の大小はあるものの、周波数が高くなるに従って減衰率は大きくなっていることがわかる。ここで音波の周波数１ＭＨｚのときを見ると、減衰率はほぼ１００ｄＢ／ｍとなっている。２００ｄＢの大きさの音波が堆積層に入射したときに、１ｍの深さに音波が伝搬して、返ってきたときに、往復で音波の大きさがほぼゼロになってしまうことを意味する。また、１００ｋＨｚのときの減衰量はほぼすべての底質に対して１０ｄＢ／ｍ以上となっている。このとき、１ｍの往復で音波の減衰は２０ｄＢ以上、すなわち、受信音波の大きさは１／１０以下となってしまう。以上により、本発明においてソーナー送受信部からの音波の送信周波数は１ＭＨｚ以下とする。さらに好ましくは、１００ｋＨｚ以下の周波数とする。
【００３７】
図１１を用いて、底質を表す重要な堆積層の物理パラメータである間隙率βの深さ方向分布について説明を行う。図９により、底質において間隙率の大きさβは、堆積物の固体粒子の径ｄと相関があることを説明した。一方で、間隙率βの大きさは、海底堆積層表面から深くなるにしたがって、徐々に小さくなって行くという特性を持っている。図１１は異なる２カ所（場所Ａ・場所Ｂ）の堆積層の間隙率の深さ方向分布を示したものである。図中のプロット◇は場所Ａでの計測結果、プロット◆は場所Ｂでの計測結果を示している。これらの計測結果は、堆積層の深さｚを用いて、以下の（２）式によって近似することができる。
β＝βmin＋（１−βmin）exp(−ｐｚ-q) （２）
【００３８】
（２）式中のβminは、深いところでの最終間隙率に相当する。よって、図９の９０４のデータが示す間隙率βはこのβminに対応する。また、指数関数の係数であるｐとｑは、図１１の近似曲線の形状を決定する値である。（２）式を用いることによって、深さ方向分布を含めた海底堆積層の間隙率分布をβmin、ｐ、ｑという３つの定数を用いて表現することができる。すなわち、これらβmin、ｐ、ｑという３つの値は、海底堆積層の底質を表す主要な３つのパラメータと考えることができる。例えば図１１に示されている場所Ａの間隙率分布の近似曲線１１０２はβmin＝０．７２、ｐ＝０．５４、ｑ＝０．５４であり、場所Ｂの近似曲線１１０３はβmin＝０．５２、ｐ＝０．３７、ｑ＝０．７４となり、これらβmin、ｐ、ｑの値が決まることによって、堆積層内の間隙率分布を決定することができる。また、前述のように、間隙率βは堆積物の固体粒子の平均粒子径ｄと相関があることから、これらの値が決まることによって、海底堆積層がどのような底質であるかがわかることになる。
【００３９】
このβmin、ｐ、ｑが、本発明における演算用パラメータに対応する。ソーナー送受信部からの受信信号３０１を用いて、底質計算部３０２では、海底堆積層の間隙率分布である、βmin、ｐ、ｑを計算する。次いで、これらの演算用パラメータが画像補償計算部（第２計算部）３０４へと伝達される。ここで、海底堆積層の深さ方向の物理パラメータの分布を示す値として、βmin、ｐ、ｑを説明したが、本発明においては、海底堆積層の深さ方向の物理パラメータ分布を示す、いかなる複数のパラメータを演算用パラメータとして用いてもよいし、もちろん、（２）式以外の近似式を用いてもかまわない。
【００４０】
図１２を用いて、βmin、ｐ、ｑ以外の海底堆積層内の物理パラメータの推算について説明を行う。βmin、ｐ、ｑ以外にも、海底堆積層内の音波伝搬特性に影響を及ぼすたくさんのパラメータが存在するが、これらのパラメータはすべて、βmin、ｐ、ｑを利用することによって推算が可能である。例えば、海底堆積層の透水係数ｋは、間隙率βを用いた次の（３）式で表される。
ｋ＝ｄ2β3／１８０（１−β2） （３）
【００４１】
よって、場所Ａ、場所Ｂそれぞれの間隙率分布（図１１で示したもの）を利用して図１２の様に透水係数ｋの堆積層深さ方向の分布を場所Ａでは実線１２００のように、場所Ｂでは一点鎖線１２０１の様に計算することができる。また、透水係数以外にも、間隙寸法パラメータ、構造因子、体積弾性率、剛性率などの海底堆積層の音波伝搬を特徴づける主要なパラメータを間隙率βから計算することができるため、βmin、ｐ、ｑを基本の演算用パラメータとすることで、海底堆積層内の物理パラメータを明らかにすることができる。
【００４２】
このように、海底堆積層の深さ方向の物理パラメータの分布を示す値として、例えばβmin、ｐ、ｑを選ぶことによって求められた海底堆積層の特性を用いて、堆積層内の音波伝搬がどの程度、堆積層がない場合と比べて異なっているのか、すなわち音波伝搬のズレ分を計算することができる。画像補償計算部（第２計算部）３０４では、前記の演算用パラメータ３０３の入力を受けて、海底堆積層内の音波伝搬に基因するソーナー画像のズレ分を計算する。図１３、図１４を用いて、まず音波のズレ分の計算について説明し。図１５、図１６を用いて画像補償におけるズレ分の計算方法の実施例について説明する。
【００４３】
図１３は、海底堆積層１３００に対して、ソーナー１３０１から送信音波１３０２がθ＝３０°の入射俯角で照射された時の、堆積層内の音波伝搬特性の計算結果を示すものである。ここで座標系は、海底堆積層に平行な方向１３０３が音波の到達レンジの方向、海底堆積層表面と垂直な方向１３０４が海底堆積層の深さ方向である。また、グラフ１３０が堆積層深さに対する音速の変化を、グラフ１３１が堆積層深さに対して音波の到達するレンジの大きさを示したもの、さらにグラフ１３２が到達レンジに対して音波の強度がどのようになっているかを示したものである。
【００４４】
まず、図１３のグラフ１３０を見ると、異なる底質である場所Ａ・場所Ｂにおいて、海底堆積層内の音速は大きく違うことがわかる。またこれらの音速は深さ方向に分布を持っている。実線１３０５は図１１における場所Ａの音速分布であり、一点鎖線１３０６は場所Ｂの音速分布である。１３０５，１３０６ともに、堆積層表面（０ｍ地点）での音速１５３３ｍ／ｓ（海水中の音速）から、堆積層の深さが大きくなるに従って音速は徐々に大きくなってゆく。一方で、音速の変化の度合いは場所によって異なり、堆積層１ｍ深さにおける音速は場所Ａでは１５５５ｍ／ｓであり、場所Ｂでは１６６０ｍ／ｓとなっている。一方で、堆積層の間隙率分布（底質）がわかれば、このように底質の異なる場所に応じた、音速分布を計算することができる。さらに、グラフ１３０において、点線１３０７は堆積層が存在せず海水のみである時の音速を示している。当然、音速は１５３３ｍ／ｓで一定である。よって場所Ａの音速分布１３０５及び場所Ｂの音速分布１３０６と、海水中での音速１３０７を比較することで、堆積層が存在しないとき（海水のみのとき）と堆積層内の音速分布との差分値も計算することができる。
【００４５】
次に、図１３のグラフ１３１を見ると、音波が堆積層の中に伝搬するときに場所によって異なる屈折を受けて、異なるパスを通って進むことがわかる。実線１３０８は場所Ａにおける堆積層内の音波の伝搬経路を示しており、一点鎖線１３０９は場所Ｂにおける堆積層内の音波の伝搬経路である。双方とも堆積層への入射俯角は３０°である。場所Ａにおいては、堆積層１ｍの深さにおいて１５．６ｍの到達レンジであるが、場所Ｂにおいては１６．５ｍ程度の到達レンジとなっている。深さ１ｍの距離では１ｍ近い場所のズレとなっていることがわかる。一方で、堆積層内の間隙率分布（底質）がわかれば、このように底質の異なる場所に応じた、音波の伝搬経路を計算することができる。さらに、グラフ１３１において点線１３１０は堆積層が存在せず海水のみであるときの音波の伝搬経路を示している。当然、物理パラメータが変化しないので、直線の伝搬経路となっている。よって、場所Ａの伝搬経路１３０８及び場所Ｂの伝搬経路１３０９と、海水中での伝搬経路１３１０を比較することで、堆積層が存在しないとき（海水のみの時）と堆積層内の伝搬経路との差分値も計算することができる。
【００４６】
次に、図１３のグラフ１３２を見ると、音波の強さの変化度合いが場所によって異なることがわかる。実線１３１１は場所Ａにおける音波の到達レンジに対するｄＢ（デシベル）表記された音波の強さであり、一点鎖線１３１２は場所Ｂにおける音波の到達レンジに対するｄＢ表記された音波の強さである。音波の強さは、堆積層に入射したときの音波の強さからの変化分で表している。すなわち、堆積層表面（０ｍ地点）において、１００ｄＢの音波の強さであったとき、例えば場所Ｂでは１５．６ｍの到達レンジにおいて、１００−１０ｄＢ＝９０ｄＢの強さになっている。場所Ａ、場所Ｂを比べると、音波の強さが−１０ｄＢとなる到達レンジは、場所Ａにおいては１５．６ｍ、場所Ｂにおいては１６．５ｍ程度となっており、場所によって異なる音波の減衰となっていることがわかる。一方で、堆積層内の間隙率分布（底質）がわかれば、このように底質の異なる場所に応じた、音波の減衰量の分布を計算することができる。さらにグラフ１３２において、点線１３１３は堆積層が存在せず海水のみであるときの音波の強さの変化を示している。海水中は０．０１ｄＢ／ｍと、とても小さい減衰率であるために、グラフ１３２に示すような高々数ｍ程度のレンジ方向の移動に対して、音波の強さに変化は見られない。よって、場所Ａの音波の強さの分布１３１１及び場所Ｂの音波の強さの分布と、海水中での音波の強さの分布１３１３を比較することで、堆積層が存在しないとき（海水のみの時）と堆積層内の音波の強さの分布の差分値も計算することができる。
【００４７】
以上、図１３のグラフ１３０、グラフ１３１、グラフ１３２を使って、場所に応じて異なる底質を持つ堆積層内で、音波の伝搬特性が大きく異なることが示されると同時に、堆積層の底質（ここでは深さ方向の間隙率分布）がわかれば、海水しかないときと比べて、どれだけの量、音波の伝搬特性がシフトしているか、すなわちズレ分を算出することができる。これらのズレ分は、堆積層がないと仮定して作られる通常ソーナー画像へのズレ分でもあり、これらのズレ分を補正することで、ソーナー画像の質を向上させることができる。
【００４８】
図１４、図１５を用いて、前記の音波伝搬特性のズレ分をどのように画像の補償値として用いるか説明を行う。これは第２計算部である画像補償計算部３０４で計算する堆積層の画像補償値、すなわち補正用データ３０５の実施例に対応する。
【００４９】
詳しい説明に先んじて、図１４を用いてソーナーで堆積層内の画像を取得する形態について簡単に説明を行う。まず、ソーナー１４００は画像を形成する際に、移動しながら画像を取得する。移動方向を１４０２に示している。また、ソーナーの移動方向をアジマス方向１４０３と呼ぶ。また、ソーナーから音波が照射される方向の水平距離をレンジ方向１４０４と呼ぶ。ソーナー１４００から照射された音波の反射音を一本ずつ集めたものがソーナー画像１４０５である。ソーナー画像１４０５におけるアジマス方向１４０３及びレンジ方向１４０４も図中に示している。ソーナーから送信された音波は海水中１４０１を伝搬して、海底堆積層１４０６の表面に到達し投影面１４０７を形成する。海底面の画像化を行う場合は、この海底面の音波投影面１４０７からの反射音を一本一本集めたものとして、ソーナー画像１４０５が作成されるが、堆積層内の画像を取得するときには、音波が海底面に到達した後に、海底堆積層１４０６の中に伝搬し、海底堆積層内の音波投影面１４０８となることを考えなければならない。よってソーナー画像は海底堆積層内の音波投影面１４０８からの反射音信号１４０９を一本一本集めてソーナー画像１４０５を作成することになる。ここで、反射音信号１４０９にはこれまで説明してきたように、堆積層内音波伝搬の特性に起因した、音速、伝播経路及び減衰量などのズレ分が存在する。
【００５０】
図１５を使って、これらのズレ分の補償について説明する。図１５には、本発明における補正用データの好適な実施例のうち３つ、すなわち音速補正用データ１５０、伝搬経路補正用データ１５１及び減衰量補正用データ１５２、を説明するものである。それぞれ、図１３で説明した、堆積層内音速分布、堆積層内伝搬経路及び堆積層内の音波の強さの計算結果に対応した補正用データとなっている。
【００５１】
まず音速補正用データ１５０について説明する。ここでは、図１３のグラフ１３０で説明した、堆積層の底質から計算された音速分布を用いる。堆積層内の深さ方向の音速分布ｃ(ｚ)がわかることから、堆積層がない場合（海水のみの場合、１５００）に距離Ｌの音波の伝搬時間は、海水の音速ｃ0を用いて、ｔ＝Ｌ／ｃ0秒かかるとき、堆積層内の場合（１５０１）、音波の伝搬時間ｔ’は以下の（４）式から算出することができる。
【００５２】
【数１】
【００５３】
ここでθは堆積層への入射俯角の大きさ、ｚは堆積層深さ方向、Ｚは補正対象の堆積層深さであり、音波の伝搬方向の距離Ｌ（＝Ｚ／sinθ）の地点に対応する。
【００５４】
これより、堆積層があることによって生じる音波の伝搬時間のズレ分を（ｔ’−ｔ）秒と求めることができる。このズレ分（ｔ’−ｔ）は、１５０２に矢印で示すようにソーナー画像を構成する任意の点について算出することができる。また、１５０３のように、ソーナー画像を構成する元の受信信号の一本一本の（一回の音波の送受に対応する）データに対して個別に与えることもできる。
【００５５】
次に、伝搬経路補正用データ１５１について説明する。ここでは図１３のグラフ１３１で説明した、堆積層内の底質から計算された音波伝搬経路を用いる。堆積層内に音波が伝搬するときには、海水のみの音波の伝搬経路１５０４と異なり、堆積層内で屈折を受け、１５０５のように伝搬経路が変わる。このとき、堆積層内深さＺの地点において、伝搬経路の違いによるレンジ方向のズレ分１５０６を生じる。このレンジ方向ズレ分は、前出の音速分布に基因する画像のズレ分と同様に、１５０７に矢印で示すように、ソーナー画像上の任意の点について算出することができる。また、１５０８のように、ソーナー画像を構成する元の受信信号の一本一本の（一回の音波の送受に対応する）データに対して個別に与えることもできる。
【００５６】
３つめに、減衰量補正用データ１５２について説明する。ここでは図１３のグラフ１３２で説明した、堆積層内の底質から計算された音波の強さの分布を用いる。図１３のグラフ１３２で説明したように、堆積層内に音波が伝搬するときには、海水のみの時と比べて、著しく音波が減衰し、また底質に応じてその減衰の度合いが異なる。このような減衰の度合の違いは、受信信号の強さと一対一対応し、最終的な画像の輝度を低下させる。このような減衰量の補正を行うときには、堆積層内の音波の伝搬距離が重要になってくる。図１５の１５２に示すように、ソーナー１５０９から送信された音波は、堆積層への入射角度によって、堆積層内Ｚの深さにたどり着くまでの堆積層内の伝搬距離１５１０がａ、ｂ、ｃ、ｄのように異なる。よって、ａ、ｂ、ｃ、ｄの順にレンジ方向の距離が大きくなるに従って、堆積層内で音波が受ける減衰量も大きくなる。よって、図１５の下図に示すように横軸をレンジ方向、縦軸をソーナーが受信する音波の強さとすると、レンジ方向に対する受信音波の強さ１５１３は、レンジ方向長さが大きくなるに従って小さくなる。この傾向そのものは、音波が海水を伝わるときも同じである。しかしながら海底堆積層の減衰率は図１３の１３２に示したように海水と比べて著しく大きいため、音波伝搬に伴う減衰の影響においては、実質的に海底堆積層内の減衰が支配的になる。よって曲線１５１３は、海底堆積層Ｚの地点における音波の減衰量として、ソーナー画像の補正用データとして用いることができる。この音波の減衰量は画像の輝度と対応し、１５１４に示すようにソーナー画像上の任意の点について輝度分布の補正量として算出することができる。また、１５１３の曲線をそのまま用いて、１５１５のようにソーナー画像を構成する元の受信信号の一本一本の（一回の音波の送受に対応する）データに対して個別に与えることもできる。
【００５７】
ここまで、補正用データ３０５の形は、ソーナー画像上任意の点について補正量を算出して与える形もしくは、ソーナーの受信信号の個別の一本一本のデータに対して与える補正量であると説明したが、補正量を与える対象は、音波の受信信号〜ソーナー画像生成のプロセス中において表れるいかなるデータ形式であってもよい。また、補正用データの表す量としては、前記の音速補正用データ１５０、伝搬経路補正用データ１５１、減衰量補正用データ１５２のみならず、ソーナーの画像における堆積層内の音波伝搬によるズレを補償するいかなるデータであってもよい。
【００５８】
本発明においては、さらに補正用データ３０５は第３計算部である補償画像処理部３０６に伝達される。補償画像処理部３０６には補正用データ３０５だけでなく、ソーナーの受信信号３０７も伝達される。ここでは、実際にソーナーの画像を合成する。さらに前記補正用データ３０５を利用して堆積層の音波伝搬特性の影響を補償した、補正画像データ３０８を生成する。
【００５９】
以下、図１６、図１７を用いて、補正画像データ作成方法のうち２つに関して説明を行う。まず、図１６（ａ）により、補正用データ３０５がソーナー画像の任意の点に対する補正量である場合について説明する。例えば補償画像処理部３０６においては、ソーナー送受信部からの受信信号１６０１と、補正用データ１６０２との和算を行う。ソーナーの送受信部からの受信信号１６０１には、ソーナー画像の一点一点の場所における堆積層によるズレ分１６０３が存在するが、補正用データ１６０２は、一点一点の場所におけるズレ分の補償量１６０４を値として持つ。そのため、ソーナー画像１６０１上の各画素の位置を補正用データ１６０２のズレ補償量１６０４に従って変位させることで、堆積層の音波伝搬に基因するズレ分を解消することができる。この補償後のデータをソーナー画像処理プロセス１６０５によって合成することで、堆積層補償がなされたソーナー画像、すなわち補正画像データ１６０６が生成される。この補正画像データは、図３における補正画像データ３０８と同一のものである。
【００６０】
図１７（ａ）は、補正画像データ作成方法の他の例として、ソーナーの受信信号の一本一本のデータに対して補正量として補正用データ３０５を与える方法の説明図である。ここでは、図１３、図１５で示された音波の強さの分布、すなわち減衰量に関する補正を例に説明する。１７０１はソーナー信号からの受信信号そのものである。時間が大きくなるにつれて、レンジ方向の遠方の対象物からの反射音となっている。この受信信号はレンジ方向遠方になるに従って、堆積層からの減衰量が大きくなることは図１３、図１５で説明した通りである。よって、受信信号１７０１の時系列の一点一点に対応した減衰補正量１７０２を補正用データとして用いることができる。ここで、受信信号１７０１と減衰補正量１７０２を乗算することによって、堆積層の減衰が補正された、補正された受信信号１７０３を計算する。この処理はソーナー画像を合成する際に用いられる一本一本の受信信号データ３０７に対して逐次行い、それらのデータをソーナー画像処理プロセス１７０４によって合成することで、堆積層の減衰量補正がなされたソーナー画像すなわち補正画像データ１７０５が生成される。この補正画像データは、図３における補正画像データ３０８と同一のものである。実際の応用に際しては、図１５に示された３種類の補正のうち１種類を使用しても良いし、複数の補正を組み合わせて行っても良い。また、図１５に示された音速／伝搬経路／減衰量の補正のみならず、周波数成分の変化／音波の非線形成分の変化／受信音波の波形歪みなど、堆積層の底質の違いによって表れる音波伝搬の特性の違いを反映した量を利用した補正であれば、いかなる補正をいかなる組み合わせで用いてもよい。
【００６１】
以上のプロセスをもって、図３で説明した実施例において、（１）堆積層の底質を計算し、（２）底質に依存するソーナー画像の補正用データを作成し、（３）ソーナー受信信号と補正用データを用いて、堆積層の補正がされた補正画像データを作成する、という一次的な堆積層の底質を補償した処理が完了する。しかしながら、一次的に推算された演算用パラメータは、真の底質と近い値であるかもしれないが、必ずしも正しい値であるとは限らない。また、ソーナー画像処理のプロセス中に補正用データを入れる際に完全な形で堆積層の補正が行えないことが考えられる。また、図６で説明したように、堆積層の底質を表す演算用パラメータとして、第２送受部である底質測定器６００を用いることもあり、またデータベース部である既知密度分布データ６０４を用いることもある。まとめると、一次的な堆積層補正のプロセスにおいて用いられる演算用パラメータは、対象の堆積層の底質に「近い」値であるが、一般的に真の値ではない。
【００６２】
上記の様な演算用パラメータの不確かさ（真値からのズレ）が、どのような影響となって表れるかを以下に説明する。図１６（ｂ）及び図１７（ｂ）に、補正用データを用いないときのソーナー画像１６０８，１７０７を示す。補正画像データ１６０６は、補正を行わないソーナー画像１６０８と比べて画像中の対象物のズレが少なくなり、補正画像データ１７０５は、補正を行わないソーナー画像１７０７と比べて画像中の輝度ムラが少ない。一方で、完全には堆積層の音波伝搬の影響を解消することができず、補正画像データ１６０６においては、真の結像位置から未だズレ分の残渣や輪郭のぼやけが残ってしまう。補正画像データ１７０５においては、若干の輝度ムラやレンジ方向遠方で若干輝度が低い画像になってしまう。
【００６３】
よって、本発明においては、一次的に補正された補正画像データを、基準画像と比較することで対照情報を生成する。その後、さらに対照情報を用いて修正された演算用パラメータを算出し、演算用パラメータを真値に近づけてゆくフィードバックループを加えた。この構成については、図３〜図５を用いて説明した通りである。ここで、対照情報は、前記補正画像データと前記基準画像データとの間の、画像差分値、画像相関量、画像の信号レベルのいずれか１つもしくはそれらの複数の組み合わせの値を比較することで生成される、補正画像と原画像データとの差が信号強度に変換された値であり、また、修正された演算用パラメータは、対照情報に基づいて、画像データの差分として表れる対照情報の値から計算された、海底堆積層の物理パラメータのいずれか一つもしくは複数のパラメータの組み合わせが信号強度に変換された値を計算し、第２計算部に入力される演算用パラメータとして用いることを特徴とする。以下、図１８、図１９を用いて、図３〜図５で説明した、補正画像データとの比較に用いる基準画像３１０、対照情報生成部（第４計算部）３０９で計算される対照情報３１１、底質パラメータ修正部（第５計算部）３１２において計算される修正された演算用パラメータ５００について詳しく説明する。
【００６４】
図１８を用いて、基準画像３１０として、図４における通常ソーナー画像処理部（第６計算部）４００で生成された通常のソーナー画像（原画像）４０２を用いる場合について説明する。この処理では、例えば図１６で示すような真の結像位置からのズレ分の残渣や輪郭のぼやけをさらに解消することができる。図１８には、堆積層補正が一次的になされた補正画像データ１８０１と通常ソーナー画像１８００を示した。これら２つの画像において画像の質がどの程度向上したかを示す値を算出する。この値が対照情報生成部（第４計算部）３０９で計算される対照情報３１１である。ここでの対照情報３１１には２つの例が考えられる。一つは、対象物がどれだけはっきりと描出されているかを示す値である。具体的には、対象物のコントラスト値、輪郭のシャープさを表す、画像の微分値を計算する。もう一つは、対象物の位置のズレ分の補正の向上を表す量であり、これは対象物の重心の移動量１８０３などを用いることができる。これらの値は、「最適な値」は与えられていないものの、値が増えれば（もしくは減れば）画像の質が向上していることを示す値である。
【００６５】
次に、対照情報３１１は底質パラメータ修正部（第５計算部）３１２に伝達され、ここで、堆積層の底質を表すパラメータである演算用パラメータの再推定を行い、修正された演算用パラメータを生成する。対照情報生成部３０９で計算された対照情報３１１を用いて、さらに画質の向上をもたらすように、演算用パラメータの修正を行う。図５に示すように、修正された演算用パラメータ５００は入力切替部（第２入力切替部）５０１に伝達される。ここで、第１計算部３０２で計算された演算用パラメータといずれを演算用パラメータとして用いるかの切替を受け、画像補償計算部３０４へと送られ、再度補正画像の生成が行われる。図１８においては、修正された演算用パラメータβmin、ｐ、ｑ（１８０４）が示されている。ここで、演算用パラメータの修正は、例えば、βmin、ｐ、ｑの一つもしくは複数の値を１％ずつ変化させるという手法がとられる。また、演算用パラメータの修正は、対照情報３１１が画像の向上を示す方向に変化するように選ばれる。
【００６６】
図１８の下段のグラフは、計算回数（ループを回す回数：修正された演算用パラメータを用いて画像を再構成する回数）に対して、対照情報（例えばコントラスト値や微分値）の変化を示すものである。ここで、フィードバックループによる演算用パラメータ修正完了の設定については、２通りの方法がある。第１の方法は、計算回数に例えばｎ＝１０回などの上限を設けておく方法、第２の方法は、対照情報の値と通常ソーナー画像データにおける値１８０８との差１８０７がほぼ一定値に落ち着き、変化しなくなったときに計算を完了するという方法である。また、本実施例には、補正を行った結果、画像の質が落ちてしまったとき（１８０９）に、演算パラメータを再度修正することで、最適な方向に戻すこと（１８１０）ができるという大きな効果がある。
【００６７】
図１９を用いて、基準画像３１０として、図４における参照画像記憶部（メモリ／記憶部）４０３に予め用意された最適な画像４０４を用いる場合について説明する。この処理では、例えば図１７に示したような堆積層内減衰量補正を行ったときに、一次的な堆積層補正では取り除けなかった、画像の輝度ムラを取り除くことができる。図１９には、堆積層補正が一次的になされた補正画像データ１９００と、参照画像記憶部に予め用意された最適な画像１９０１が示されている。ここで最適な画像は例えば、海水中において作成されたソーナー画像であってもよいし、堆積層補正が完全になされたソーナー画像の一つであってもよい。いずれにせよ、堆積層の影響がソーナー画像の中に存在しない形の画像データであればいかなる画像でもかまわない。
【００６８】
ここで、ソーナー画像中の、アジマス方向の一本のデータ１９０２を取り出して、２つの画像１９００，１９０１間の画像輝度値の差分をとる。もし、堆積層の影響が完全に解消されていれば、この値はすべてのレンジ方向についてゼロである。一方で底質パラメータの推算が完全でない時などには、取り除ききれない影響が、１９０３のようにレンジ方向に分布を持って表れてくる。これは、堆積層補償を行わないときのソーナー画像における輝度ムラ１９０４と比べると大きさは小さくなっているものの、取り切れない残渣１９０５が残っている。そこで、この残渣分１９０５が、ここでの対照情報生成部（第４計算部）で計算される対照情報３１１となる。また、この対照情報は、図１８の説明の場合と同様に底質パラメータ修正部（第５計算部）３１２に伝達され、ここで、堆積層の底質を表すパラメータである演算用パラメータの再推定を行い、修正された演算用パラメータ１９０６を生成する。演算パラメータとして例えばβmin、ｐ、ｑ（１９０６）を用いることは図１８の実施例と同様である。なお、基準画像３１０として参照画像記憶部（メモリ／記憶部）４０３に予め用意された最適な画像４０４を用いる場合には、参照画像との差分値である対照情報の値がゼロに近づくように、演算パラメータβmin、ｐ、ｑを修正する。
【００６９】
図１９の下段のグラフは、計算回数（ループを回す回数：修正された演算用パラメータを用いて画像を再構成する回数）に対する対照情報（ここでは画像輝度値の差分）の変化を示すものである。前述のようにここでは最適な画像との差分値を対照情報として用いるために、この対照情報の値は、ゼロ（点線１９１０）の近傍にばらつく。よってこのゼロとの差分の１９０９が、ループを回す回数に従って徐々に小さくなって行くようなループ処理となる。この差分値（対照情報の値）がゼロに近づけば近づくほど、堆積層の補償が高精度で行われていることになる。よって、この対照情報との差分値がある閾値Ｔを下回ったときにループ処理を終了させればよい。図１８の場合と同様に、経験的にループ回数ｎ＝１０回などのように回数を予め決定してもよい。
【００７０】
ここで、基準画像と補正画像データとの間で計算される対照情報に関しては、図１８、図１９において説明した対照情報の例以外にも、画像の差分値・相関係数・ノイズ成分の大きさの違いなど、いかなる画像間の差分を用いてよい。また、そのとき用いられる対照情報は、図１８、図１９の場合と同様に、対照情報の値から、底質パラメータ修正部（第５計算部）において演算用パラメータの再推定が行うことが可能な情報である。また、修正された演算用パラメータとしては、βmin、ｐ、ｑについて説明したが、これは前述のように（２）式を用いて算出された、海底堆積層の深さ方向の物理パラメータの分布を示す値である。もちろん、先の演算用パラメータと同様、修正された演算用パラメータとしても海底堆積層の深さ方向の物理パラメータ分布を示す、いかなる複数のパラメータを修正された演算用パラメータとして用いてもよいし、もちろん、（２）式以外の近似式を用いてもかまわない。以上、本発明における堆積層補償の骨格、すなわち、（１）堆積層の底質パラメータから堆積層補正がされたソーナー画像を作成する、（２）画像補正の効果を判定し、フィードバックすることでさらに良好な堆積層補正がされたソーナー画像を作成する、というループについて説明を行った。
【００７１】
次に、図２０を用いて、演算用パラメータとして、図６に示した第２送受部である底質測定器６００を用いる場合と、データベース部である既知密度分布データ６０４を用いる場合について説明する。まず図２０（ａ）は、第２送受部である底質測定器が航走体２００１に具備されている場合の例を示す。ここで航走体２００１には、第１送受部であるソーナー送受信部２００２も具備される。第１の実施例としては、このソーナー送受信部２００２による受信信号を用いて底質を表すパラメータである演算用パラメータの推算を行う例が考えられる。これは、これまで図３〜図５の実施例で示した場合に対応する。このソーナー送受信部２００２からソーナー音波が堆積層２００３に対して送信され、また受信された音波に対して、前記ソーナー原画像の生成及び底質の補償された補正画像が生成される。ここで、図２０（ａ）においては、さらに第２送受部である底質測定器２００４が具備される。底質測定器２００４は、堆積層２００３に対して底質測定用の音波を送波し、受波する。またソーナー送受信部２００２で受信した受信信号及び底質測定器２００４で受信した受信信号は、入力切替部６０２以下の堆積層を補償したソーナー画像を生成するための画像処理ブロック２００５に伝達される。
【００７２】
ここで、第２送受部における音波の周波数は５ｋＨｚ以上１０ＭＨｚ以下、さらに好ましくは１００ｋＨｚ以上１０ＭＨｚ以下である。底質測定器として音波の送受信を行う場合には、１００ｋＨｚ以下の比較的低周波の音波を用いて堆積層の内部に音波が十分透過することを目的とする場合と、１００ｋＨｚ以上の比較的高周波の音波を用いて、波長を短くすることで堆積層内部の密度分布や間隙率分布を、高い空間分解能で測定することを目的とする場合の２通りがある。そのため、底質測定器２００４の周波数は、５ｋＨｚ以上１０ＭＨｚ以下、さらに好ましくは１００ｋＨｚ以上１０ＭＨｚ以下である。
【００７３】
次に、図２０（ｂ）においては、第２送受部である底質測定器２００７は航走体２００１から物理的に離れて設けられる。この場合、底質測定器は前記の第２送受部の代わりに、堆積物の内部のコアサンプルを取得して、密度分布や間隙率分布を物理的に測定する堆積物コアサンプラーであっても、音波の送受を用いるのでなく電磁式送受波器などの堆積物物理パラメータ測定器であってもよい。もちろん音波の送受を行っても良く、その場合、底質測定器２００７の周波数は５ｋＨｚ以上１０ＭＨｚ以下、さらに好ましくは１００ｋＨｚ以上１０ＭＨｚ以下とする。このとき、図２０（ａ）と同様に、ソーナー送受信部２００２で受信した受信信号及び底質測定器２００７で受信した受信信号は、入力切替部６０２以下の堆積層を補償したソーナー画像を生成するための画像処理ブロック２００５に伝達される。
【００７４】
図２０（ｃ）は、予め用意されたデータベース部２００９からの堆積層の底質を表す演算用パラメータを用いる場合の例を示している。これは図６における、既知密度分布データ６０４の情報を第２計算部である画像補償計算部３０４で使用する場合に対応する。この場合、底質測定器は使用せずに、ソーナー送受信部２００２で受信した受信信号及びデータベース部２００９に保持される演算用パラメータは、入力切替部５０１以下の堆積層を補償したソーナー画像を生成するための画像処理ブロック２００５に伝達される。
【００７５】
図２１を用いて、音波を用いた堆積層の底質パラメータ測定方法の実施例をいくつか示す。図２１（ａ）は、堆積層の底質によって減衰率が違うことを利用した底質推算方法の説明図である。ここで底質測定器２１０１から音波が照射される。左側は場所Ａの堆積層２１０２を測定している図、右側は場所Ｂの堆積層２１０３を測定している図である。このとき、受信部において受信される受信音波の中には、堆積層の表面で反射した音波２１０４，２１０５のほかに、堆積層内部から帰ってくる音波２１０６，２１０７がある。ここで堆積層内部からの受信信号２１０６と２１０７には、受信レベルに大きさの違いが生じる。これは図１０において示したとおり、堆積層の底質によって音波の減衰率が異なるためであり、内部からの音波の振幅２１０６と２１０７の値からそれぞれの底質パラメータを推算することができる。例えば、２１０４の値を１０としたとき、２１０６の値が５だったときには、簡便に−６ ｄＢの減衰量となり、図１０のようなシミュレーション結果と照らし合わせることで、そのときの間隙率βの大きさを推算することができる。
【００７６】
図２１（ｂ）は、堆積層の底質によって堆積層内の音波の到達レンジが変わることを利用した底質推算方法の説明図である。推算方法の説明に先立ち、図２２を用いて、到達レンジが底質に対してどのように変わるかを説明する。
【００７７】
図２２は、堆積層の音波伝搬計算によるシミュレーション結果であり、堆積層の底質（堆積物密度）とソーナーの到達レンジの関係を表すグラフである。ここでソーナーの到達レンジとは、実際に音波画像が取得できる範囲と一対一対応する。グラフ中において、線２２０１、線２２０２及び線２２０３は、それぞれ音波の周波数がｆ１，ｆ２及びｆ３の時に対応しており、数字が大きくなるに従って周波数は高くなっている。さらにグラフに示されるように、到達レンジの大きさも堆積層の底質に依存して大きく変わることがわかる。堆積物密度が小さいときには到達レンジが大きくなり、１００ｍ以上の到達レンジである場合もある。一方で、堆積物密度が大きいときには到達レンジは高々２０ｍでしかないこともわかる。このように到達レンジの大きさが変わると言うことは、底質によって、ソーナーの期待される性能（どれだけ効率よく探査が行えるか）が大きく変わることに他ならない。また、図２２のグラフから、この傾向が音波の周波数によっても同様に大きく変わることが明らかである。よって、ある周波数の音波による到達レンジを測定することができれば、堆積層の底質が逆算できることがわかる。
【００７８】
図２１（ｂ）に戻ると、左側が堆積物密度が小さい場所Ａ（密度＝２．１）、右側が堆積物密度が大きい場所Ｂ（密度＝１．７）である。このとき図２２を見ると、周波数がｆ１の時、場所Ａの到達レンジは４５ｍ、場所Ｂの到達レンジは２０ｍである。図２１に、場所Ａの到達レンジ２１１０、場所Ｂの到達レンジ２１１１を図示している。ここで、ある参照対象物２１０９を堆積層の中に設置することで、その参照対象物２１０９がソーナー画像に見え始める位置が場所Ａと場所Ｂとで異なることがわかる。場所Ａにおいては、参照対象物はソーナーから比較的遠い距離２１１２の場所から見え始める。一方で場所Ｂにおいては、ソーナーからの距離２１１３が近くならないと参照対象物２１０９の画像は見えない。ここで、この距離２１１２及び距離２１１３は、堆積層の密度に依存した値になることがわかる。この距離をソーナー画像上で測ることにより、堆積層２１０２，２１０３の底質が推算できる。この場合は、距離から逆算して、堆積層の密度がそれぞれ場所Ａでは２．１、場所Ｂでは１．７であることがわかる。
【００７９】
図２１（ｃ）は、堆積層の底質によって堆積層表面での臨界角の大きさが変わることを利用した底質推算方法の説明図である。推算方法の説明に先立ち、図２３を用いて、音波の臨界角が底質に対してどのように変わるかを説明する。
【００８０】
図２３は、堆積層の音波伝搬計算によるシミュレーション結果であり、堆積層の底質（堆積物密度）とソーナー入射臨界角の関係を表すグラフである。ここで、入射臨界角とは、堆積層の中に音波が伝わってゆかなくなる角度であり、入射臨界角以下の角度で堆積層に音波を入射しても、堆積層中に音波は透過してゆかない。グラフ中において、線２３０１，２３０２，２３０３，２３０４及び２３０５はそれぞれ、周波数がｆ１，ｆ２，ｆ３，ｆ４及びｆ５のときの底質と臨界角の関係を示しており、ｆ１からｆ５まで番号が大きくなるに従って周波数が高くなっている。図２３のグラフより、底質に依存してソーナーの入射臨界角は大きく変わることがわかる。すなわち、堆積層の底質によって、堆積層中に伝わる音波の量は大きく変わることが示される。また、この傾向は音波の周波数によっても同様に大きく変わることがグラフに示されている。よって、ある周波数の音波臨界角の大きさがわかれば、堆積層の底質が逆算できることがわかる。
【００８１】
ここで、図２１（ｃ）に戻ると、音波送波器２１１５から送信された音波は、ある一定の角度以下の入射角では全反射しか起こさない。そこで、レシーバ列２１１６を用意することで、グラフ２１１７に示すように、レシーバ位置によって信号強度が急激にあがる場所が存在する。そのレシーバ位置から、臨界角の測定が可能である。よって本実施例からは臨界角を測定することにより、堆積層の底質が推算できる。
【００８２】
図２４は、本発明の音波撮像装置における画像表示部、底質パラメータ表示部、入力切替部及び底質パラメータ調整部の例を示す図である。図２４（ａ）に示すように、音波撮像装置２４００には、基準画像を表示する基準画像表示部２４０１と補正画像を表示する補正画像表示部が具備されている。ただし、図２４（ｂ）に示すように、基準画像表示部２４０１はなくてもよく、補正画像表示部２４０２が具備されているだけでもよい。本例の音波撮像装置２４００には、３つの入力切替部が設けられている。図の例では装置筐体に３つの入力切替部が用意されているが、装置内部で切替えを行ってもよく、音波撮像装置筐体に具備される入力切替部は０〜３のいずれの個数でもよい。ここでは、基準画像としてメモリ／記憶部の画像データとソーナー送受信部からの画像データを切り分ける第１入力切替部２４０４が具備される。また、演算パラメータの切替を、既知密度分布データ、第１計算部で計算された演算パラメータ、自動的な画質向上ループを行う場合の修正された演算パラメータ、調整部２４０７においてマニュアルで調整された、調整された演算パラメータの４つの演算パラメータの間で切り替える第２切替部２４０５が設けられている。最後に、第１計算部への入力として、ソーナー送受信部と底質測定器のどちらの受信信号を使うかを切り替える第３入力切替部２４０６が設けられている。
【００８３】
さらに、音波撮像装置２４００には、演算用パラメータの調整部２４０７が具備される。調整部２４０７は、つまみ部でも、レバーの形をとっていてもよく、実質的に演算用パラメータを調整可能であればよい。また調整される演算用パラメータは複数であってもよく、したがって演算用パラメータ調整部２４０７は複数存在してもよい。図示の例では、明示的に演算用パラメータとして、図１１にて説明した堆積層の間隙率分布を表すパラメータであるβmin、ｐ、ｑを調整する調整部を有し、更に演算用パラメータの表示部２４０８を有する。演算用パラメータの表示部２４０８においては、そのときの補正画像データの作成に用いられる演算用パラメータの物理的な値が表示される。ここでも表示される演算用パラメータは複数であってもよく、したがって演算用パラメータ（底質パラメータ）表示部２４０８は複数存在してもよい。ここでは、入力切替部２４０５の切替に従って、既知密度分布データ、第１計算部で計算された演算パラメータ、自動的な画質向上ループを行う場合の修正された演算パラメータ、調整部２４０７においてマニュアルで調整された、調整された演算パラメータの４つの演算パラメータのうちいずれかの演算パラメータが表示される。図２４においては、入力切替部２４０５はAuto位置にあるため、修正された演算用パラメータの値が、表示部２４０８に表示されている。また、βminが０．７２の時、ｐが０．５４のとき、ｑが０．５３の時の値が図２４には表示されている。
【００８４】
以上により、図２４に示した音波撮像装置は、参照画像及び補償画像、さらには演算用パラメータを、オペレータが参照しながら、底質パラメータを調整することが可能となり、より真の画像に近い補償画像を得ることができ、また図５から図７に示したフィードバックループに従って、自動的により好適な堆積層の補正画像データを得ることもできる。
【００８５】
図２５を用いて、演算用パラメータを利用してソーナーの音波照射条件を変化させる方法について説明する。図２５（ａ）は、底質に応じて、１回の走査による探索範囲を変更する例を示している。底質が推算されると、図２１で説明したように、その底質に応じた到達レンジが推算できる。そのため、図２５（ａ）の例では、たとえば底質Ａ（２５０１）においては、５回の探索、底質Ｂ（２５０２）においては２回の探索というように、底質に応じた超音波送信条件の制御を行う。
【００８６】
また、図２２において説明したように、到達レンジは周波数によって可変である。図２５（ｂ）では、それを利用して周波数変更によるアダプティブな到達レンジ変更を行っている。左図に示すように、周波数Ａ（２５０７）では、到達レンジ２５０４が短いため埋没物２５０６を画像化するには十分な到達レンジが稼げないとする。このとき、右図に示すように、周波数を制御し、周波数Ｂ（２５０８）に変更することによって、埋没物２５０６を画像化するに十分な到達レンジ２５０５をもった超音波の送受信を行うことができる。
【００８７】
図２５に示した方法のほか、堆積層の底質に依存したより高効率な音波送信・受信が可能となるようないかなる音波の照射条件の制御も本発明の範囲に属する。たとえば、減衰率を考慮した送信音圧の変更、ビームパターンの変更、音波パルスの波形の変更、音波送信間隔の変更、なども本発明の範疇である。
【図面の簡単な説明】
【００８８】
【図１】海中及び海底堆積層における音波撮像装置の概略図。
【図２】海底堆積層による音波画像のズレ分・歪み分を示す説明図。
【図３】本発明による音波撮像装置及び画像処理アルゴリズムの基本実施例を示す図。
【図４】本発明による音波撮像装置及び画像処理アルゴリズムの実施例を示す図。
【図５】本発明による音波撮像装置及び画像処理アルゴリズムの実施例を示す図。
【図６】本発明による音波撮像装置及び画像処理アルゴリズムの実施例を示す図。
【図７】本発明による音波撮像装置及び画像処理アルゴリズムの実施例を示す図。
【図８】本発明による音波撮像装置及び画像処理アルゴリズムの実施例を示す図。
【図９】海底堆積層の底質パラメータを説明する図。
【図１０】ソーナー周波数に対する堆積層内の減衰率を表すグラフ。
【図１１】堆積層深さに対する間隙率の場所Ａと場所Ｂにおける実測値を示す図。
【図１２】堆積層内の物理パラメータの計算例を示す図。
【図１３】場所の違いによる音速、到達レンジ、音波の強さの違いを示す図。
【図１４】ソーナーによる堆積層内画像化を説明する図。
【図１５】堆積層の画像補正パラメータを示す図。
【図１６】補正画像データの一例を示す図。
【図１７】補正画像データの一例を示す図。
【図１８】対照情報と演算パラメータ修正の一例を示す図。
【図１９】対照情報と演算パラメータ修正の一例を示す図。
【図２０】底質測定器とデータベース部の実施例を示す図。
【図２１】底質測定器による底質推算方法の実施例を示す図。
【図２２】到達レンジと密度の関係を示す図。
【図２３】入射臨界角と密度の関係を示す図。
【図２４】本発明による音波撮像装置の表示部の例を示す図。
【図２５】ソーナー送信信号制御の実施例を示す図。
【符号の説明】
【００８９】
１００ 船体
１０１ 航走体
１０２ ソーナー
１０３ ソーナーからの送信音波
１０４ 対象物
１０５ 海底面
１０６ ソーナーへの受信音波
１０７ ソーナー画像
１０８ ソーナー画像上の対象物の結像画像
１０９ 海底堆積層
１１０ 海底堆積層に埋まった対象物
２００ ソーナー
２０１ ソーナーからの送信音波
２０２ 対象物
２０３ 海中対象物のソーナー画像
２０４ ソーナー画像上の対象物の結像画像
２０５ 堆積層
２０６ 海底堆積層中の対象物
２０７ 海底堆積層に対して照射されたソーナーからの送信音波
２０８ 海底堆積層に対象物がある場合のソーナー画像
２０９ ソーナー画像上の海底堆積層中の対象物
３００ ソーナー送受信部（第１送受部）
３０１ ソーナーの受信信号
３０２ 底質計算部（第１計算部）
３０３ 演算用パラメータ
３０４ 画像補償計算部（第２計算部）
３０５ 補正用データ
３０６ 補償画像処理部（第３計算部）
３０７ ソーナーの受信信号
３０８ 補正画像データ
３０９ 対象情報生成部（第４計算部）
３１０ 基準画像
３１１ 対照情報
３１２ 底質パラメータ修正部（第５計算部）
４００ 通常ソーナー画像処理部（第６計算部）
４０１ ソーナー受信信号
４０２ 通常のソーナー画像
４０３ 参照画像記憶部（メモリ／記憶部）
４０４ 最適な補償画像
４０５ 入力切替部（第１入力切替部）
５００ 修正された演算用パラメータ
５０１ 入力切替部（第２入力切替部）
５０２ 切替後の演算用パラメータ
６００ 底質測定器（第２送受部）
６０１ 底質測定器の受信信号
６０２ 入力切替部（第３入力切替部）
６０３ 底質計算部に入力される演算用パラメータ
６０４ 既知密度分布データ（データベース部）
６０５ 既知の演算用パラメータ
６０６ 画像補償計算部に対して伝達される演算用パラメータ
７００ 底質パラメータツマミ部
７０１ 演算用パラメータ調整信号
７０２ 調整された演算用パラメータ
７０３ 底質表示部（表示部）
７０４ 底質表示部に入力される演算用パラメータ（底質パラメータ）
７０５ 調整された演算用パラメータ
８００ ソーナー送信信号制御部（信号制御部）
８０１ 画像処理アルゴリズムのブロック
８０２ 画像処理アルゴリズム中の任意の演算用パラメータ
８０３ ソーナー送受信部の制御信号
８０４ 制御されたソーナー送信信号
９００ 海底堆積層の構造を示す図
９０１ 海底堆積層内の固体粒子
９０２ 海底堆積層内の間隙流体
９０４ 平均粒子径ｄと間隙率βの関係
１１０２ 場所Ａの間隙率分布の近似曲線
１１０３ 場所Ｂの間隙率分布の近似曲線
１２００ 場所Ａにおける透水係数の堆積層深さ方向分布の推算結果
１２０２ 場所Ｂにおける透水係数の堆積層深さ方向分布の推算結果
１３０ 堆積層深さに対する音速の変化を表すグラフ
１３１ 堆積層深さに対する到達レンジの変化を表すグラフ
１３２ 音波の到達レンジに対する音波の強さの変化を表すグラフ
１３００ 海底堆積層
１３０１ ソーナー送受信部
１３０２ ソーナーからの送信音波
１３０３ 音波送信方向の海底堆積層に水平な成分（到達レンジ方向）
１３０４ 海底堆積層の深さ方向
１３０５ 場所Ａの音速分布
１３０６ 場所Ｂの音速分布
１３０７ 海水の音速
１３０８ 場所Ａの音波伝搬経路
１３０９ 場所Ｂの音波伝搬経路
１３１０ 媒質が海水の場合の音波伝搬経路
１３１１ 場所Ａにおける音波の到達レンジに対する音波の強さ
１３１２ 場所Ｂにおける音波の到達レンジに対する音波の強さ
１３１３ 堆積層が存在せず海水のみであるときの音波の強さの変化を表す図
１４００ ソーナー
１４０１ 海水中
１４０２ 航走体（ソーナー）の移動方向
１４０３ アジマス方向
１４０４ レンジ報告
１４０５ ソーナー画像
１４０６ 海底堆積層
１４０７ 海底堆積層表面の音波投影面
１４０８ 海底堆積層内の音波投影面
１４０９ 海底堆積層内の音波投影面からの反射音信号
１５０ 音速補正用データ
１５１ 伝搬経路補正用データ
１５２ 減衰量補正用データ
１５００ 海水のみの場合の音波伝搬時間
１５０１ 堆積層がある場合の音波伝搬時間
１５０２ ソーナー画像任意の点に与えた音速補正量（ｔ’−ｔ）
１５０３ 受信信号一本に対して与えた音速補正量
１５０４ 海水のみの場合の音波の伝搬経路
１５０５ 堆積層内の音波の伝搬経路
１５０６ 深さＺにおける海水の場合と堆積層の場合のレンジ方向位置の差分
１５０７ ソーナー画像任意の点に与えた伝搬経路補正量
１５０８ 受信信号一本に対して与えた伝搬経路補正量
１５０９ ソーナー
１５１０ 堆積層内の伝搬距離
１５１３ レンジ方向に対する受信音波の強さ
１５１４ ソーナー画像上の任意の点に与えた輝度分布補正量
１５１５ 受信信号一本に対して与えた輝度補正量
１６０１ ソーナー送受信部からの受信信号
１６０２ 補正用データ
１６０３ 堆積層によるズレ分
１６０４ ズレ分の補償量
１６０５ ソーナー画像処理プロセス
１６０６ 補正画像データ
１６０８ 通常ソーナー画像
１７０１ ソーナーの受信信号
１７０２ 減衰補正量
１７０３ 補正された受信信号
１７０４ ソーナー画像処理プロセス
１７０５ 補正画像データ
１７０７ 通常ソーナー画像
１８００ 通常ソーナー画像
１８０１ 堆積層補正が一次的になされた補正画像データ
１８０３ 重心の移動量
１８０４ 修正された演算用パラメータ
１８０７ 通常ソーナー画像での値との対照情報の値の差分
１８０８ 通常ソーナー画像における対照情報
１８０９ 画像の質が落ちてしまったとき
１８１０ 画像の質の再向上
１９００ 補正用画像データ
１９０１ 予め用意された最適な画像
１９０２ アジマス方向の一本の画像データ
１９０３ 堆積層補償を行ったあとの残渣の分布
１９０４ 通常ソーナー画像における輝度ムラの分布
１９０５ 残渣分の量
１９０６ 修正された演算用パラメータ
１９０９ ゼロとの差分値
１９１０ 縦軸ゼロの線
２００１ 航走体
２００２ ソーナー送受信部
２００３ 堆積層
２００４ 底質測定器（第２送受部）
２００５ 画像処理ブロック
２００７ 底質測定器
２００９ データベース部（既知密度分布データ）
２１０１ 底質測定器
２１０２ 場所Ａの堆積層
２１０３ 場所Ｂの堆積層
２１０４ 場所Ａの表面散乱
２１０５ 場所Ｂの表面散乱
２１０６ 場所Ａの堆積層からの受信信号
２１０７ 場所Ｂの堆積層からの受信信号
２１０９ 参照対象物
２１１０ 場所Ａの到達レンジ
２１１１ 場所Ｂの到達レンジ
２１１２ 場所Ａの対象物検知距離
２１１３ 場所Ｂの対象物検知距離
２１１５ 音波送波器
２１１６ レシーバ列
２１１７ レシーバ列の信号強度の分布
２２０１ 周波数ｆ１の時の底質とソーナー到達レンジの関係
２２０２ 周波数ｆ２の時の底質とソーナー到達レンジの関係
２２０３ 周波数ｆ３の時の底質とソーナー到達レンジの関係
２３０１ 周波数ｆ１の時の底質と臨界角の関係
２３０２ 周波数ｆ２の時の底質と臨界角の関係
２３０３ 周波数ｆ３の時の底質と臨界角の関係
２３０４ 周波数ｆ４の時の底質と臨界角の関係
２３０５ 周波数ｆ５の時の底質と臨界角の関係
２４００ 音波撮像装置筐体
２４０１ 基準画像表示部
２４０２ 補正画像表示部
２４０４ 第１入力切替部
２４０５ 第２入力切替部
２４０６ 第３入力切替部
２４０７ 演算用パラメータ調整部
２４０８ 演算用パラメータ表示部
２５０１ 底質Ａの時の掃海計画
２５０２ 底質Ｂの時の掃海計画
２５０４ 周波数Ａにおける到達レンジ
２５０５ 周波数Ｂにおける到達レンジ
２５０６ 対象物
２５０７ 周波数Ａの送信音波
２５０８ 周波数Ｂの送信音波
【技術分野】
【０００１】
本発明は、音波撮像装置に関し、特にソーナーなどの水中での音波撮像装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
海底の堆積層の中の構造や、海底堆積層内の対象物を画像化するための手法として、音響的手法による画像化技術が検討されている。海底堆積層の内部には光が透過せず、また海水／堆積層の電磁気の透過率が著しく低いことから、海底堆積層内の画像化に対してはソーナー（SONAR）などを用いた音響的手法が第一選択となる。しかしながら、堆積物は海水に比べて著しく音波の減衰率が大きいという特徴を持っている。特に音波が高い周波数になるに従って指数関数的に減衰率が大きくなるため、ソーナー高周波化（短波長化）によってソーナー画像の空間分解能を向上させようという試みに対する大きな障壁となる。そのため、この障壁を越えて、高いコントラストかつ高いＳ／Ｎ比（信号／雑音比）で海底堆積層内の画像を生成するための音波撮像方式や信号処理方式／アルゴリズムが望まれている。
【０００３】
海底堆積層の影響を考えた技術に関して、以下のものがある。特開2002-311136号公報には、上下に２分割されたソーナーの受信信号からラグタイムの差分を求め、目標が海底面上か、海底下に埋没しているかを、閾値を用いて判別する技術が開示されている。特開平9-304527号公報には、ＢＬ（Bottom Loss）データを用いて、反射損失から堆積層の密度や減衰係数で表される音響パラメータを推定する技術が開示されている。本技術によれば、堆積層が深さ方向に均質な特性を持つと仮定したときの、密度や減衰率を推算することができる。特開平10-221444号公報には、堆積層深度方向に周波数を少しずつ変化させた音波を照射することによって、深さ方向の密度分布を測定する技術が開示されている。また、WO1999004287A1には、堆積層に埋まっている被対象物に視点をおき、対象物の音響的な歪み変形が反射音信号への非線形歪みとして表れることを用いて、堆積層に埋没した物体を探知する技術が開示されている。
【０００４】
【特許文献１】特開2002-311136号公報
【特許文献２】特開平9-304527号公報
【特許文献３】特開平10-221444号公報
【特許文献４】WO1999004287A1
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
これまで、堆積層の物理的特性を推定する技術と、予め存在するデータベースとしての堆積層の特性と音響データとを照らし合わせて音響パラメータを推算する技術が知られている。しかしながら、海底堆積層内の音波伝搬の影響、すなわち堆積層が存在することによって生じる画像のズレや歪み分を、画像処理の中で補正する技術はなかった。
【０００６】
本発明は、海底堆積層が存在することによって生じる音波画像の位置のズレ・低いコントラスト（ぼやけ）・輪郭の歪み解消し、高精細・高解像度の音波画像を形成することのできる音波撮像装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明の音波撮像装置は、海底堆積層による音波伝搬の影響を補正する画像処理アルゴリズムを備える。この画像処理アルゴリズムでは、まず堆積層の物理パラメータを推定し、推定された物理パラメータからソーナー画像処理中の計算パラメータの補正を行う。この補正された計算パラメータを用いてソーナー画像の生成を行い、堆積層の音波伝搬に起因する受信信号もしくは画像のズレや歪みが補正されたソーナー画像を得る。さらに、補正されたソーナー画像と基準画像とを比較し、その残渣分をさらなる補正にフィードバックして補正の高精度化を行う。
【０００８】
さらに、本発明の音波撮像装置は、前記の補償において推定された堆積層の物理パラメータを利用して、場所によって異なる堆積層の物理パラメータに対して、音波の送信条件を制御して与えることで、より好適な条件で音波の送受信を行う音波送波アルゴリズムを備える。
【発明の効果】
【０００９】
本発明によれば、海底堆積層内の音波伝搬特性が音波画像に与える影響を補正して、画像のズレ分や歪みを解消し、音波画像の分解能、Ｓ／Ｎ比、コントラスト、及び海底堆積層内の物体の検出感度を向上させることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１０】
以下、図面を参照して、本発明の実施形態を説明する。まず、図１及び図２を用いて海中及び海底堆積層内の画像化について説明を行う。次に、図３から図８を用いて、本発明の音波撮像装置における画像処理アルゴリズムを詳しく説明する。その後、図９から図２５を用いて、本発明における音波撮像装置の具体的な実施例について、画像処理アルゴリズム中の各種処理の説明及び堆積層内の音波伝搬シミュレーションの結果を交えて、さらに詳しく説明を行う。
【００１１】
図１は、海中における音波撮像装置の概略図である。海中での音波撮像は、船体１００や、航走体１０１に備え付けられたソーナー１０２を用いて行われる。船体１００では例えば、船体の真下に備え付けられたハル型ソーナーなどが使用される。ハル型ソーナーでは、海水面の高さからのオペレーションしかできないため、近年、無人航走体（ＵＵＶ：Unmanned Underwater Vehicle）、自律型航走体（ＡＵＶ：Automatic Underwater Vehicle）と呼ばれる、無人／自動の航走体１０１を利用した海中・海底の音響撮像が盛んに検討されている。ＵＵＶやＡＵＶを使用することで水深が深い所での音波画像取得が可能になる。ソーナー１０２からの送信音波１０３は、対象物１０４や海底面１０５に到達し、その反射音が受波音波１０６となって、ソーナー１０２において受波される。複数の方向や異なる場所において受信された受波音波１０６を合成することで、対象物１０４や海底面１０５の形状を反映した、ソーナー画像１０７が作られる。
【００１２】
通常、このようなソーナー画像は海中の音波伝搬を仮定して作られる。例えば、ソーナー１０２から角度θ＝６０°で送波された送波音波に対する対象物１０４からの反射音波がソーナー１０２において０．１秒後に受波されたとき、対象物のソーナーからの水平距離ｄは、片道分の音波伝搬時間ｔ＝０．０５[s]及び、海水中の音速ｃ＝１，５２２[m/s]を用いて、
ｄ＝ｃ×ｔ×cosθ＝１，５２２[m/s]×０．０５[s]×cos６０°＝３８．０５[m]
と計算され、ソーナー画像１０７の上に対象物の結像画像１０８として描出される。一方で、このような海中での音響画像取得においては、海底堆積層１０９の存在が問題となる。例えば、図１に示されるように対象物１１０が海底堆積層１０９に埋まってしまっている場合がある。このとき、対象物１１０をソーナー画像として結像させるに際し、周囲の海底堆積層１０９の内部での音波伝搬特性が大きく影響することは明らかである。
【００１３】
図２を用いて、海底堆積層内部の音波伝搬特性がソーナー画像の生成に及ぼす影響を説明する。まず海中に対象物がある場合、ソーナー２００から送信される音波２０１は、海中のみを伝搬して対象物２０２に到達する。そのため、図１のソーナー画像１０７と同様に、ソーナー画像２０３の中には対象物の結像２０４が行われる。一方で、堆積層２０５の中に対象物２０６が存在した場合、ソーナーからの送信音波２０７は海底堆積層に入射する。海底堆積層の音速は海中での音速と違うため、音波の屈折が生じて音の伝搬経路は海中のときと異なってしまう。また、海底堆積層内での音の減衰率は海中と比べて大きいため、音波の大きさも小さくなる。さらに、海底面は、海水と堆積層の間での密度不連続面となるため、海底面での反射も小さくない。これらの結果として、得られるソーナー画像２０８の中に表れる対象物２０６の結像画像２０９は、海中での結像画像と比べたときに、屈折による位置のズレ、小さい音波の大きさによる画像の低コントラスト（ぼやけ）、及び海底面での散乱に起因した画像の輪郭の歪みなどを生じてしまう。さらに、堆積層の特性によって、これら屈折、減衰及び散乱の程度がさらに大きくなると、海底堆積層内の対象物はソーナー画像の中に結像しない（像がない）場合もある。すなわち、海底堆積層内の画像化、もしくは海底堆積層内の対象物の結像を正確に行うためには、以下の不都合、すなわち、（ａ）海底堆積層の影響によってソーナー画像に位置ズレ・ぼやけ・輪郭の歪みを生じること、（ｂ）海底堆積層の影響によって対象物がソーナー画像内に結像しないこと、の２点を解消する必要がある。
【００１４】
本発明においては、２通りの方法で上記の不都合を解消する。まず、（１）ソーナー画像の生成処理中に堆積層の音波伝搬特性に起因するズレ分を補正し、堆積層の影響を補正した画像を作ること。次に、（２）堆積層の特性に対して好適な音波送波条件で音波を送信すること、である。図３〜図７は（１）の処理アルゴリズムの例について説明するものであり、図８が（２）の処理アルゴリズムの例について説明するものである。なお、図３〜図８には、画像処理アルゴリズム及びそのような画像処理アルゴリズムを備えた音波撮像装置の骨格を示し、アルゴリズム内部に表れるパラメータ・画像・データの詳細については後述する。
【００１５】
図３に、本発明による音波撮像装置の実施例と共に、本発明による画像処理アルゴリズムの一実施例を示す。図３に示したアルゴリズムは、堆積層音波伝搬特性を補償する本発明の基本アルゴリズムである。本実施例においては、まず第１送受部として、ソーナー送受信部３００が具備される。ソーナー送受信部３００は音波を送波し受波を行う。音波を送波した方向に海底堆積層が存在する場合、図１，図２で示したように、受波信号は海底堆積層の影響を受ける。一方でこの場合、受波信号の中には、海底の音波伝搬特性の情報が含まれることも明らかである。そこで、ソーナーの受信信号３０１は第１計算部である底質計算部３０２に伝達される。後で詳しく説明を行うが、ここで「底質」とは堆積層内の密度分布や透水係数といった物理パラメータの一つもしくはその複数の物理パラメータの集合を表す。底質計算部３０２は、ソーナー送受信部が受信した受信信号に基づいて、堆積層の底質を表す物理パラメータすなわち演算用パラメータ３０３を推算する。
【００１６】
次に、この演算用パラメータ３０３は、第２計算部である画像補償計算部３０４へと伝達される。画像補償計算部３０４では、堆積層の補正用データ３０５を計算する。補正用データ３０５は、例えばソーナー画像処理プロセスにおける堆積層の補償量や処理プロセス内部での補償係数である。次に、補正用データ３０５は第３計算部である補償画像処理部３０６へ伝達される。補償画像処理部３０６へは同時に、ソーナーの受信信号３０７も伝達される。補償画像処理部３０６では、ソーナーの受信信号を画像処理してソーナー画像を作成する時に、補正用データ３０５を用いて、堆積層の音波伝搬特性が補償された補正画像データ３０８を生成する。ここまでの補正画像データ３０８の生成プロセスにおいて、一次的な堆積層の底質を補償した処理が完了する。補償画像処理部３０６で生成されたソーナー画像は、画像表示部に表示される。
【００１７】
本発明では、さらに補正画像データ３０８を第４計算部である対照情報生成部３０９に伝達する。対照情報生成部３０９には別途、基準画像３１０が入力される。対照情報生成部３０９においては、この基準画像３１０と堆積層の一次的な補償を行った補正画像データ３０８を比較して、対照情報３１１すなわち堆積層の補正効果を表す量を計算する。さらにこの対照情報３１１は第５計算部である底質パラメータ修正部３１２に伝達される。この底質パラメータ修正部においては、対照情報３１１を用いて、底質計算部３０２で計算された演算用パラメータの修正量もしくは修正後のより確からしい堆積層の底質を表す、修正された演算用パラメータを計算する。以上、図３に示した実施例によれば、堆積層の音波伝搬特性による影響が一次的に補正されたソーナー画像及び、修正された堆積層の物理パラメータを計算することができる。
【００１８】
図４に、本発明の音波撮像装置の実施例及び画像処理アルゴリズムの実施例のひとつを示す。図４は、図３における基準画像３１０についてより詳しい実施例を示すものである。基準画像３１０は対照情報生成部３０９に対して入力される画像データであるが、その画像データには２通りの実施例がある。
【００１９】
まず、一方の実施例について図４を使って説明する。ここでは第６計算部である通常ソーナー画像処理部４００が具備される。通常ソーナー画像処理部４００では、ソーナー送受信部３００が受信する音波信号に基づいて、図３に示した本発明による堆積層補正の一次的処理を通さずに、通常のソーナーによる音波画像を生成する。すなわち通常ソーナー画像処理部は、ソーナー送受信部の受信信号４０１（図３の３０７と同一の情報）の入力を受け、原画像すなわち通常のソーナー画像４０２を生成する。通常のソーナー画像４０２はそのまま、対照情報生成部３０９へ入力する基準画像３１０として使用することができる。対照情報生成部３０９においては、基準画像３１０としての通常のソーナー画像４０２と、補償画像処理部３０６から送られた補正画像３０８の比較を行い、通常ソーナー画像４０２からどれだけ補正が行われたかどうか、すなわち通常ソーナー画像４０２からの変化量を計算する。この補正量の大きさが、ここでの対照情報３１１となる。
【００２０】
もう一方の実施例を、同じく図４を使って説明する。本実施例の場合、メモリ／記憶部である参照画像記憶部４０３を具備する。参照画像記憶部４０３には、予め用意された最適な補償画像が保持されており、この最適な補償画像４０４が基準画像として利用される。この最適な補償画像４０４は、そのまま対照情報生成部３０９へ入力する基準画像３１０として使用することができる。対照情報生成部３０９においては、基準画像３１０としての最適な補償画像４０４と、補償画像処理部３０６から送られた補正画像３０８の比較を行い、最適な補償画像４０４にどれだけ補正が近づいたかどうか、すなわち、最適な補償画像４０４との漸近の程度を表す量を計算する。この漸近の程度を表す量が、ここでの対照情報３１０となる。
【００２１】
さらに図４を用いて、上記の２つの基準画像出力ブロックが両方具備された実施例について説明する。本実施例では、基準画像として、通常ソーナー画像４０２もしくは最適な補償画像４０４のどちらかを選択して使用する。この場合、図４に示したように、第６計算部である通常ソーナー画像処理部４００とメモリ／記憶部である参照画像記憶部４０３の両方が具備され、さらに第４計算部である対照情報生成部３０９に対して入力される基準画像３１０を、原画像である通常ソーナー画像４０２とメモリ／記憶部に有する最適な補償画像４０４のいずれかに切り替える、第１入力切替部４０５を有する。
【００２２】
図５に、本発明の音波撮像装置の実施例及び画像処理アルゴリズムの実施例の一つとして、演算用パラメータのフィードバックループを備えた実施例を示す。ここでは、第５計算部である底質パラメータ修正部３１２で計算された修正された演算用パラメータ５００を、新たに第２計算部である画像補償計算部３０４への入力として用いる。また、図５には、第２入力切替部である入力切替部５０１が具備されているが、この入力切替部５０１を用いて、底質計算部３０２で一次的に計算された底質である演算用パラメータ３０３と、前記修正された演算用パラメータ５００のいずれかを切り替えて新たに画像補償計算部へ入力される演算用パラメータ５０２としてもよい。本実施例では、演算用パラメータのフィードバックループを備えることによって、ソーナーの送受信部３００によって受信された受信信号３０１から一次的に推算された堆積層の物理パラメータを修正することにより、演算用パラメータをより実際の底質を表すと考えられる物理パラメータに近づけてゆくことが可能となり、よりズレが少なく、コントラスト比が向上し、さらに輪郭のぼやけの少ない、高画質・高分解能な堆積層の音波伝搬特性が補正されたソーナー画像を得ることができる。
【００２３】
図６に、本発明の音波撮像装置の実施例及び画像処理アルゴリズムの実施例のひとつとして、第２送受部である底質測定器６００を具備する場合について説明する。底質測定器６００は第１送受部とは別に、独立して音波の送受を行う送受信部であり、第１送受部とは異なる音波を海底堆積層に向かって送波し、海底堆積層からの反射音を受信する。底質測定器６００で受信された信号は受信信号６０１として、第１計算部である底質計算部３０２に入力される演算用パラメータ６０３として利用することができる。
【００２４】
第１送受部であるソーナー送受信部３００では、ソーナー画像取得を行うために音波の送受を行うという制約がある。ソーナー送受信部３００とは別に底質測定器６００を備えることによって、底質パラメータの推算のみに特化した音波の送受信が可能となる。例えば、ソーナー送受信部３００では、５ｋＨｚの周波数を送信し、一方で底質測定器６００では１００ｋＨｚの音波を送受信することが可能となる。これにより、ソーナー画像作成においてはソーナー送受信部３００で受信された５ｋＨｚの送信音波に対する受信音波を用い、一方で底質推算すなわち本発明における演算用パラメータの推算においては底質測定器６００で受信した１００ｋＨｚの送信音波に対する受信信号を用いて、より詳細な底質を表す物理パラメータの推算を行うことができる。また、本実施例においては、ソーナー送受信部３００で受信された受信信号３０１と底質測定器６００で受信された受信信号６０１を切り替える第３入力切替部６０２を有し、いずれかの信号を、底質計算部３０２へ伝達される入力信号６０３とすることができるように構成してもよい。
【００２５】
次に、図６を用いて本発明の音波撮像装置の実施例及び画像処理アルゴリズムの実施例の一つとして、データベース部である既知密度分布データ６０４を具備する場合について説明する。予め、ソーナーの画像化を行う海域の底質が既知の場合がある。事前のオペレーションや底質調査によって、堆積層内の密度分布などの物理パラメータの情報が取得されている場合である。このとき、海底堆積層の底質データすなわち本発明における演算用パラメータを格納するデータベース部すなわち既知密度分布データ６０４を具備していてもよい。既知密度分布データ６０４は、第２計算部に対して入力する演算用パラメータ６０５を出力することができる。また、既知密度分布データ６０４は第２入力切替部５０１に対して既知の演算用パラメータ６０５として入力することができ、さらに、第２入力切替部５０１は、底質計算部３０２で計算された演算用パラメータ３０３と第５計算部で修正された演算用パラメータ５００と既知の演算用パラメータ６０５のうちいずれか１つの演算用パラメータを切り替えて、第２計算部である画像補償計算部３０４に対して伝達される演算用パラメータ６０６として出力することができるように構成してもよい。
底質測定器６００及び／又はデータベース部である既知密度分布データ６０４は、図３〜図５に示した音波撮像装置に付加してもよい。
【００２６】
図７を用いて、本発明の音波撮像装置の実施例及び画像処理アルゴリズムの実施例のひとつとして、演算用パラメータの調整部がある場合について説明する。本実施例においては、調整部である底質パラメータツマミ部７００が具備される。ここで、底質パラメータツマミ部７００は、第２計算部である画像補償計算部３０４に対して入力される演算用パラメータ（５０２，６０６など）の値を調整することができ、調整された演算用パラメータ７０２として画像補償計算部３０４に入力することができる。さらに、画像補償計算部３０４は、調整された演算用パラメータを用いて、補正用データ３０５を計算する。また、調整部である底質パラメータツマミ部７００は、図３〜図６に示した音波撮像装置に付加してもよい。
【００２７】
図７は、さらに、本発明の音波撮像装置の実施例及び画像処理アルゴリズムの実施例のひとつとして、演算用パラメータの表示部７０３がある場合について説明するものである。ここでは、第１計算部である底質計算部で計算された演算用パラメータ、前記データベース部に用意された演算用パラメータ（これらは、図７では底質パラメータ７０４として示している）及び前記調整部である底質パラメータツマミ部で調整された演算用パラメータ７０５のうち一つもしくは複数の組み合わせの演算用パラメータの値を表示する表示部である底質表示部７０３を具備する。この底質表示部７０３は、図３〜図６に示した音波撮像装置に付加してもよい。
【００２８】
以上、図３〜図７を用いて本発明の音波撮像装置の実施例及び海底堆積層の画像補償アルゴリズムの実施例について説明を行ったが、海底堆積層の底質を表す物理パラメータが計算されることが本発明の特徴の一つであり、この物理パラメータは画像処理のみならず、ソーナーの送信条件の制御にも利用することができる。すなわち、ソーナーを使用するその場その場に応じて、堆積層の影響を考えたソーナー送信条件を決定するためにも利用することができる。
【００２９】
図８に、上記を鑑みた本発明の音波撮像装置の実施例を示す。本実施例は、ソーナー送信信号制御部８００を具備する。底質パラメータの計算は、図３〜図７に示した画像処理アルゴリズムのブロック８０１で行われる。ソーナー送信信号制御部８００は、図３〜図７中で説明されたいかなる演算用パラメータの入力８０２受けてもよい。例えば、第１計算部である底質計算部において計算された底質の物理パラメータを推算した値である演算用パラメータであっても、データベース部に蓄えられた演算用パラメータであっても、第５計算部である底質パラメータ修正部において修正された演算用パラメータであってもよい。ソーナー送信信号制御部８００では、伝達されたいずれかの演算用パラメータ８０２を用いて、対象とする堆積層に適した音波送信条件を決定する。例えば、ソーナー送受信部での送信音波の周波数として、５ｋＨｚが使用されているときに、計算された演算用パラメータから、海底堆積層内部に直線で伝搬する周波数を計算し、たとえば、好適な周波数が８ｋＨｚであった場合に、第１送受部であるソーナー送受信部３００に、制御信号８０３を入力することで新たに、ソーナー送受信部３００から制御された８ｋＨｚの周波数の送信音波８０４を送信することができる。
【００３０】
これにより、より好適な音波照射条件において取得された受信信号に基づいて、海底堆積層音波伝搬特性を補償した画像処理を行うことが可能となり、よりズレが少なく、コントラスト比が向上し、さらに輪郭のぼやけの少ない、高画質・高分解能な堆積層の音波伝搬特性が補正されたソーナー画像を得ることができる。
【００３１】
以上、図３〜図８を用いて、本発明による音波撮像装置及び海底堆積層音波伝搬特性を補正する画像処理アルゴリズムに関する骨格を示した。以下、図９〜図２５を用いて、図３〜図８の中に表れる各ブロック、各種パラメータ、補正データやソーナー画像に関して発明の効果を交えながら説明を行う。
【００３２】
最初に、図９を用いて、海底堆積層の「底質」に関して説明を行う。図９に示すように、海底堆積層９００は、固体粒子９０１と、固体粒子の間に存在する海水などの液体である間隙流体９０２の混合物として、多孔質媒質を構成する。このような海底堆積層の「底質」を最も大きく特徴づけるパラメータとしては、海底堆積層を構成する固体粒子９０１の平均粒径ｄがある。一般的に平均粒径ｄの大きさが３．９μｍ以下のものをClay（泥）、６２．５μｍ以上のものをSand（砂）、その間の平均粒径のものをSilt（シルト）と呼ぶ。海底堆積層の物理パラメータには他にも様々な量が存在するが、基本的にこの平均粒径ｄが海底堆積層の音波伝搬特性を大きく支配する。
【００３３】
次に、重要な海底堆積層の「底質」を表すパラメータは間隙率βである。間隙率βは海底堆積層９００に含まれる間隙流体９０２の体積分率を表す０〜１の量である。すなわち、海底堆積層の密度ρ（液体と固体の混合物としての密度）は、固体粒子９０１の密度ρr及び間隙流体９０２の密度ρfを用いて、以下の（１）式で表すことができる。
ρ＝ρr（１−β）＋ρfβ （１）
【００３４】
この（１）式から明らかなように、間隙率βは海底堆積層の「混合物としての密度」と密接に絡んでおり、極めて重要な海底堆積層の物理パラメータである。一方で、海底堆積層の平均粒径ｄと間隙率βの間には一般的に、図９の下図に９０４で示すように、平均粒子径が大きくなるに従って、間隙率βが小さくなる、という相関関係がある。よって海底堆積層の平均粒径ｄがわかれば、おおよその間隙率βが予測でき、また間隙率βがわかれば、海底堆積層のおおよその平均粒径ｄを予測することができる。さらには、間隙率βはそのほかにも、後述の堆積層物理パラメータを予測するために重要なパラメータとなっており、海底堆積層の「底質」を表す最も重要なパラメータの一つである。
【００３５】
次に、図１０を用いて、送受部から送信される送信音波の周波数の選定について説明する。図１０のグラフの横軸はＨｚ（ヘルツ）で表した音波の周波数であり、縦軸は海底堆積層内の音波のｄＢ／ｍで表した減衰率である。また、図中の線は、さまざまな底質における音波の減衰率のシミュレーション結果を表している。ここでの底質とは堆積物内の粒子の粒径を意味しており、粒径Sandから、順に粒径が小さくなる方向に、Silty Sand、Sandy Silt、Silt、Clayey Silt、Clayのケースを併せて示している。βと平均粒径が一次的には一対一対応することは図９において説明したとおりである。また図１０中のプロット◇は、過去の実験データ（E. L. Hamilton, “Geoacoustic modeling of the sea floor,”J. Acoust. Soc. Am., 68(5), 1313-1340(1980)）である。
【００３６】
図１０をみると、粒径の違いによる多少の値の大小はあるものの、周波数が高くなるに従って減衰率は大きくなっていることがわかる。ここで音波の周波数１ＭＨｚのときを見ると、減衰率はほぼ１００ｄＢ／ｍとなっている。２００ｄＢの大きさの音波が堆積層に入射したときに、１ｍの深さに音波が伝搬して、返ってきたときに、往復で音波の大きさがほぼゼロになってしまうことを意味する。また、１００ｋＨｚのときの減衰量はほぼすべての底質に対して１０ｄＢ／ｍ以上となっている。このとき、１ｍの往復で音波の減衰は２０ｄＢ以上、すなわち、受信音波の大きさは１／１０以下となってしまう。以上により、本発明においてソーナー送受信部からの音波の送信周波数は１ＭＨｚ以下とする。さらに好ましくは、１００ｋＨｚ以下の周波数とする。
【００３７】
図１１を用いて、底質を表す重要な堆積層の物理パラメータである間隙率βの深さ方向分布について説明を行う。図９により、底質において間隙率の大きさβは、堆積物の固体粒子の径ｄと相関があることを説明した。一方で、間隙率βの大きさは、海底堆積層表面から深くなるにしたがって、徐々に小さくなって行くという特性を持っている。図１１は異なる２カ所（場所Ａ・場所Ｂ）の堆積層の間隙率の深さ方向分布を示したものである。図中のプロット◇は場所Ａでの計測結果、プロット◆は場所Ｂでの計測結果を示している。これらの計測結果は、堆積層の深さｚを用いて、以下の（２）式によって近似することができる。
β＝βmin＋（１−βmin）exp(−ｐｚ-q) （２）
【００３８】
（２）式中のβminは、深いところでの最終間隙率に相当する。よって、図９の９０４のデータが示す間隙率βはこのβminに対応する。また、指数関数の係数であるｐとｑは、図１１の近似曲線の形状を決定する値である。（２）式を用いることによって、深さ方向分布を含めた海底堆積層の間隙率分布をβmin、ｐ、ｑという３つの定数を用いて表現することができる。すなわち、これらβmin、ｐ、ｑという３つの値は、海底堆積層の底質を表す主要な３つのパラメータと考えることができる。例えば図１１に示されている場所Ａの間隙率分布の近似曲線１１０２はβmin＝０．７２、ｐ＝０．５４、ｑ＝０．５４であり、場所Ｂの近似曲線１１０３はβmin＝０．５２、ｐ＝０．３７、ｑ＝０．７４となり、これらβmin、ｐ、ｑの値が決まることによって、堆積層内の間隙率分布を決定することができる。また、前述のように、間隙率βは堆積物の固体粒子の平均粒子径ｄと相関があることから、これらの値が決まることによって、海底堆積層がどのような底質であるかがわかることになる。
【００３９】
このβmin、ｐ、ｑが、本発明における演算用パラメータに対応する。ソーナー送受信部からの受信信号３０１を用いて、底質計算部３０２では、海底堆積層の間隙率分布である、βmin、ｐ、ｑを計算する。次いで、これらの演算用パラメータが画像補償計算部（第２計算部）３０４へと伝達される。ここで、海底堆積層の深さ方向の物理パラメータの分布を示す値として、βmin、ｐ、ｑを説明したが、本発明においては、海底堆積層の深さ方向の物理パラメータ分布を示す、いかなる複数のパラメータを演算用パラメータとして用いてもよいし、もちろん、（２）式以外の近似式を用いてもかまわない。
【００４０】
図１２を用いて、βmin、ｐ、ｑ以外の海底堆積層内の物理パラメータの推算について説明を行う。βmin、ｐ、ｑ以外にも、海底堆積層内の音波伝搬特性に影響を及ぼすたくさんのパラメータが存在するが、これらのパラメータはすべて、βmin、ｐ、ｑを利用することによって推算が可能である。例えば、海底堆積層の透水係数ｋは、間隙率βを用いた次の（３）式で表される。
ｋ＝ｄ2β3／１８０（１−β2） （３）
【００４１】
よって、場所Ａ、場所Ｂそれぞれの間隙率分布（図１１で示したもの）を利用して図１２の様に透水係数ｋの堆積層深さ方向の分布を場所Ａでは実線１２００のように、場所Ｂでは一点鎖線１２０１の様に計算することができる。また、透水係数以外にも、間隙寸法パラメータ、構造因子、体積弾性率、剛性率などの海底堆積層の音波伝搬を特徴づける主要なパラメータを間隙率βから計算することができるため、βmin、ｐ、ｑを基本の演算用パラメータとすることで、海底堆積層内の物理パラメータを明らかにすることができる。
【００４２】
このように、海底堆積層の深さ方向の物理パラメータの分布を示す値として、例えばβmin、ｐ、ｑを選ぶことによって求められた海底堆積層の特性を用いて、堆積層内の音波伝搬がどの程度、堆積層がない場合と比べて異なっているのか、すなわち音波伝搬のズレ分を計算することができる。画像補償計算部（第２計算部）３０４では、前記の演算用パラメータ３０３の入力を受けて、海底堆積層内の音波伝搬に基因するソーナー画像のズレ分を計算する。図１３、図１４を用いて、まず音波のズレ分の計算について説明し。図１５、図１６を用いて画像補償におけるズレ分の計算方法の実施例について説明する。
【００４３】
図１３は、海底堆積層１３００に対して、ソーナー１３０１から送信音波１３０２がθ＝３０°の入射俯角で照射された時の、堆積層内の音波伝搬特性の計算結果を示すものである。ここで座標系は、海底堆積層に平行な方向１３０３が音波の到達レンジの方向、海底堆積層表面と垂直な方向１３０４が海底堆積層の深さ方向である。また、グラフ１３０が堆積層深さに対する音速の変化を、グラフ１３１が堆積層深さに対して音波の到達するレンジの大きさを示したもの、さらにグラフ１３２が到達レンジに対して音波の強度がどのようになっているかを示したものである。
【００４４】
まず、図１３のグラフ１３０を見ると、異なる底質である場所Ａ・場所Ｂにおいて、海底堆積層内の音速は大きく違うことがわかる。またこれらの音速は深さ方向に分布を持っている。実線１３０５は図１１における場所Ａの音速分布であり、一点鎖線１３０６は場所Ｂの音速分布である。１３０５，１３０６ともに、堆積層表面（０ｍ地点）での音速１５３３ｍ／ｓ（海水中の音速）から、堆積層の深さが大きくなるに従って音速は徐々に大きくなってゆく。一方で、音速の変化の度合いは場所によって異なり、堆積層１ｍ深さにおける音速は場所Ａでは１５５５ｍ／ｓであり、場所Ｂでは１６６０ｍ／ｓとなっている。一方で、堆積層の間隙率分布（底質）がわかれば、このように底質の異なる場所に応じた、音速分布を計算することができる。さらに、グラフ１３０において、点線１３０７は堆積層が存在せず海水のみである時の音速を示している。当然、音速は１５３３ｍ／ｓで一定である。よって場所Ａの音速分布１３０５及び場所Ｂの音速分布１３０６と、海水中での音速１３０７を比較することで、堆積層が存在しないとき（海水のみのとき）と堆積層内の音速分布との差分値も計算することができる。
【００４５】
次に、図１３のグラフ１３１を見ると、音波が堆積層の中に伝搬するときに場所によって異なる屈折を受けて、異なるパスを通って進むことがわかる。実線１３０８は場所Ａにおける堆積層内の音波の伝搬経路を示しており、一点鎖線１３０９は場所Ｂにおける堆積層内の音波の伝搬経路である。双方とも堆積層への入射俯角は３０°である。場所Ａにおいては、堆積層１ｍの深さにおいて１５．６ｍの到達レンジであるが、場所Ｂにおいては１６．５ｍ程度の到達レンジとなっている。深さ１ｍの距離では１ｍ近い場所のズレとなっていることがわかる。一方で、堆積層内の間隙率分布（底質）がわかれば、このように底質の異なる場所に応じた、音波の伝搬経路を計算することができる。さらに、グラフ１３１において点線１３１０は堆積層が存在せず海水のみであるときの音波の伝搬経路を示している。当然、物理パラメータが変化しないので、直線の伝搬経路となっている。よって、場所Ａの伝搬経路１３０８及び場所Ｂの伝搬経路１３０９と、海水中での伝搬経路１３１０を比較することで、堆積層が存在しないとき（海水のみの時）と堆積層内の伝搬経路との差分値も計算することができる。
【００４６】
次に、図１３のグラフ１３２を見ると、音波の強さの変化度合いが場所によって異なることがわかる。実線１３１１は場所Ａにおける音波の到達レンジに対するｄＢ（デシベル）表記された音波の強さであり、一点鎖線１３１２は場所Ｂにおける音波の到達レンジに対するｄＢ表記された音波の強さである。音波の強さは、堆積層に入射したときの音波の強さからの変化分で表している。すなわち、堆積層表面（０ｍ地点）において、１００ｄＢの音波の強さであったとき、例えば場所Ｂでは１５．６ｍの到達レンジにおいて、１００−１０ｄＢ＝９０ｄＢの強さになっている。場所Ａ、場所Ｂを比べると、音波の強さが−１０ｄＢとなる到達レンジは、場所Ａにおいては１５．６ｍ、場所Ｂにおいては１６．５ｍ程度となっており、場所によって異なる音波の減衰となっていることがわかる。一方で、堆積層内の間隙率分布（底質）がわかれば、このように底質の異なる場所に応じた、音波の減衰量の分布を計算することができる。さらにグラフ１３２において、点線１３１３は堆積層が存在せず海水のみであるときの音波の強さの変化を示している。海水中は０．０１ｄＢ／ｍと、とても小さい減衰率であるために、グラフ１３２に示すような高々数ｍ程度のレンジ方向の移動に対して、音波の強さに変化は見られない。よって、場所Ａの音波の強さの分布１３１１及び場所Ｂの音波の強さの分布と、海水中での音波の強さの分布１３１３を比較することで、堆積層が存在しないとき（海水のみの時）と堆積層内の音波の強さの分布の差分値も計算することができる。
【００４７】
以上、図１３のグラフ１３０、グラフ１３１、グラフ１３２を使って、場所に応じて異なる底質を持つ堆積層内で、音波の伝搬特性が大きく異なることが示されると同時に、堆積層の底質（ここでは深さ方向の間隙率分布）がわかれば、海水しかないときと比べて、どれだけの量、音波の伝搬特性がシフトしているか、すなわちズレ分を算出することができる。これらのズレ分は、堆積層がないと仮定して作られる通常ソーナー画像へのズレ分でもあり、これらのズレ分を補正することで、ソーナー画像の質を向上させることができる。
【００４８】
図１４、図１５を用いて、前記の音波伝搬特性のズレ分をどのように画像の補償値として用いるか説明を行う。これは第２計算部である画像補償計算部３０４で計算する堆積層の画像補償値、すなわち補正用データ３０５の実施例に対応する。
【００４９】
詳しい説明に先んじて、図１４を用いてソーナーで堆積層内の画像を取得する形態について簡単に説明を行う。まず、ソーナー１４００は画像を形成する際に、移動しながら画像を取得する。移動方向を１４０２に示している。また、ソーナーの移動方向をアジマス方向１４０３と呼ぶ。また、ソーナーから音波が照射される方向の水平距離をレンジ方向１４０４と呼ぶ。ソーナー１４００から照射された音波の反射音を一本ずつ集めたものがソーナー画像１４０５である。ソーナー画像１４０５におけるアジマス方向１４０３及びレンジ方向１４０４も図中に示している。ソーナーから送信された音波は海水中１４０１を伝搬して、海底堆積層１４０６の表面に到達し投影面１４０７を形成する。海底面の画像化を行う場合は、この海底面の音波投影面１４０７からの反射音を一本一本集めたものとして、ソーナー画像１４０５が作成されるが、堆積層内の画像を取得するときには、音波が海底面に到達した後に、海底堆積層１４０６の中に伝搬し、海底堆積層内の音波投影面１４０８となることを考えなければならない。よってソーナー画像は海底堆積層内の音波投影面１４０８からの反射音信号１４０９を一本一本集めてソーナー画像１４０５を作成することになる。ここで、反射音信号１４０９にはこれまで説明してきたように、堆積層内音波伝搬の特性に起因した、音速、伝播経路及び減衰量などのズレ分が存在する。
【００５０】
図１５を使って、これらのズレ分の補償について説明する。図１５には、本発明における補正用データの好適な実施例のうち３つ、すなわち音速補正用データ１５０、伝搬経路補正用データ１５１及び減衰量補正用データ１５２、を説明するものである。それぞれ、図１３で説明した、堆積層内音速分布、堆積層内伝搬経路及び堆積層内の音波の強さの計算結果に対応した補正用データとなっている。
【００５１】
まず音速補正用データ１５０について説明する。ここでは、図１３のグラフ１３０で説明した、堆積層の底質から計算された音速分布を用いる。堆積層内の深さ方向の音速分布ｃ(ｚ)がわかることから、堆積層がない場合（海水のみの場合、１５００）に距離Ｌの音波の伝搬時間は、海水の音速ｃ0を用いて、ｔ＝Ｌ／ｃ0秒かかるとき、堆積層内の場合（１５０１）、音波の伝搬時間ｔ’は以下の（４）式から算出することができる。
【００５２】
【数１】
【００５３】
ここでθは堆積層への入射俯角の大きさ、ｚは堆積層深さ方向、Ｚは補正対象の堆積層深さであり、音波の伝搬方向の距離Ｌ（＝Ｚ／sinθ）の地点に対応する。
【００５４】
これより、堆積層があることによって生じる音波の伝搬時間のズレ分を（ｔ’−ｔ）秒と求めることができる。このズレ分（ｔ’−ｔ）は、１５０２に矢印で示すようにソーナー画像を構成する任意の点について算出することができる。また、１５０３のように、ソーナー画像を構成する元の受信信号の一本一本の（一回の音波の送受に対応する）データに対して個別に与えることもできる。
【００５５】
次に、伝搬経路補正用データ１５１について説明する。ここでは図１３のグラフ１３１で説明した、堆積層内の底質から計算された音波伝搬経路を用いる。堆積層内に音波が伝搬するときには、海水のみの音波の伝搬経路１５０４と異なり、堆積層内で屈折を受け、１５０５のように伝搬経路が変わる。このとき、堆積層内深さＺの地点において、伝搬経路の違いによるレンジ方向のズレ分１５０６を生じる。このレンジ方向ズレ分は、前出の音速分布に基因する画像のズレ分と同様に、１５０７に矢印で示すように、ソーナー画像上の任意の点について算出することができる。また、１５０８のように、ソーナー画像を構成する元の受信信号の一本一本の（一回の音波の送受に対応する）データに対して個別に与えることもできる。
【００５６】
３つめに、減衰量補正用データ１５２について説明する。ここでは図１３のグラフ１３２で説明した、堆積層内の底質から計算された音波の強さの分布を用いる。図１３のグラフ１３２で説明したように、堆積層内に音波が伝搬するときには、海水のみの時と比べて、著しく音波が減衰し、また底質に応じてその減衰の度合いが異なる。このような減衰の度合の違いは、受信信号の強さと一対一対応し、最終的な画像の輝度を低下させる。このような減衰量の補正を行うときには、堆積層内の音波の伝搬距離が重要になってくる。図１５の１５２に示すように、ソーナー１５０９から送信された音波は、堆積層への入射角度によって、堆積層内Ｚの深さにたどり着くまでの堆積層内の伝搬距離１５１０がａ、ｂ、ｃ、ｄのように異なる。よって、ａ、ｂ、ｃ、ｄの順にレンジ方向の距離が大きくなるに従って、堆積層内で音波が受ける減衰量も大きくなる。よって、図１５の下図に示すように横軸をレンジ方向、縦軸をソーナーが受信する音波の強さとすると、レンジ方向に対する受信音波の強さ１５１３は、レンジ方向長さが大きくなるに従って小さくなる。この傾向そのものは、音波が海水を伝わるときも同じである。しかしながら海底堆積層の減衰率は図１３の１３２に示したように海水と比べて著しく大きいため、音波伝搬に伴う減衰の影響においては、実質的に海底堆積層内の減衰が支配的になる。よって曲線１５１３は、海底堆積層Ｚの地点における音波の減衰量として、ソーナー画像の補正用データとして用いることができる。この音波の減衰量は画像の輝度と対応し、１５１４に示すようにソーナー画像上の任意の点について輝度分布の補正量として算出することができる。また、１５１３の曲線をそのまま用いて、１５１５のようにソーナー画像を構成する元の受信信号の一本一本の（一回の音波の送受に対応する）データに対して個別に与えることもできる。
【００５７】
ここまで、補正用データ３０５の形は、ソーナー画像上任意の点について補正量を算出して与える形もしくは、ソーナーの受信信号の個別の一本一本のデータに対して与える補正量であると説明したが、補正量を与える対象は、音波の受信信号〜ソーナー画像生成のプロセス中において表れるいかなるデータ形式であってもよい。また、補正用データの表す量としては、前記の音速補正用データ１５０、伝搬経路補正用データ１５１、減衰量補正用データ１５２のみならず、ソーナーの画像における堆積層内の音波伝搬によるズレを補償するいかなるデータであってもよい。
【００５８】
本発明においては、さらに補正用データ３０５は第３計算部である補償画像処理部３０６に伝達される。補償画像処理部３０６には補正用データ３０５だけでなく、ソーナーの受信信号３０７も伝達される。ここでは、実際にソーナーの画像を合成する。さらに前記補正用データ３０５を利用して堆積層の音波伝搬特性の影響を補償した、補正画像データ３０８を生成する。
【００５９】
以下、図１６、図１７を用いて、補正画像データ作成方法のうち２つに関して説明を行う。まず、図１６（ａ）により、補正用データ３０５がソーナー画像の任意の点に対する補正量である場合について説明する。例えば補償画像処理部３０６においては、ソーナー送受信部からの受信信号１６０１と、補正用データ１６０２との和算を行う。ソーナーの送受信部からの受信信号１６０１には、ソーナー画像の一点一点の場所における堆積層によるズレ分１６０３が存在するが、補正用データ１６０２は、一点一点の場所におけるズレ分の補償量１６０４を値として持つ。そのため、ソーナー画像１６０１上の各画素の位置を補正用データ１６０２のズレ補償量１６０４に従って変位させることで、堆積層の音波伝搬に基因するズレ分を解消することができる。この補償後のデータをソーナー画像処理プロセス１６０５によって合成することで、堆積層補償がなされたソーナー画像、すなわち補正画像データ１６０６が生成される。この補正画像データは、図３における補正画像データ３０８と同一のものである。
【００６０】
図１７（ａ）は、補正画像データ作成方法の他の例として、ソーナーの受信信号の一本一本のデータに対して補正量として補正用データ３０５を与える方法の説明図である。ここでは、図１３、図１５で示された音波の強さの分布、すなわち減衰量に関する補正を例に説明する。１７０１はソーナー信号からの受信信号そのものである。時間が大きくなるにつれて、レンジ方向の遠方の対象物からの反射音となっている。この受信信号はレンジ方向遠方になるに従って、堆積層からの減衰量が大きくなることは図１３、図１５で説明した通りである。よって、受信信号１７０１の時系列の一点一点に対応した減衰補正量１７０２を補正用データとして用いることができる。ここで、受信信号１７０１と減衰補正量１７０２を乗算することによって、堆積層の減衰が補正された、補正された受信信号１７０３を計算する。この処理はソーナー画像を合成する際に用いられる一本一本の受信信号データ３０７に対して逐次行い、それらのデータをソーナー画像処理プロセス１７０４によって合成することで、堆積層の減衰量補正がなされたソーナー画像すなわち補正画像データ１７０５が生成される。この補正画像データは、図３における補正画像データ３０８と同一のものである。実際の応用に際しては、図１５に示された３種類の補正のうち１種類を使用しても良いし、複数の補正を組み合わせて行っても良い。また、図１５に示された音速／伝搬経路／減衰量の補正のみならず、周波数成分の変化／音波の非線形成分の変化／受信音波の波形歪みなど、堆積層の底質の違いによって表れる音波伝搬の特性の違いを反映した量を利用した補正であれば、いかなる補正をいかなる組み合わせで用いてもよい。
【００６１】
以上のプロセスをもって、図３で説明した実施例において、（１）堆積層の底質を計算し、（２）底質に依存するソーナー画像の補正用データを作成し、（３）ソーナー受信信号と補正用データを用いて、堆積層の補正がされた補正画像データを作成する、という一次的な堆積層の底質を補償した処理が完了する。しかしながら、一次的に推算された演算用パラメータは、真の底質と近い値であるかもしれないが、必ずしも正しい値であるとは限らない。また、ソーナー画像処理のプロセス中に補正用データを入れる際に完全な形で堆積層の補正が行えないことが考えられる。また、図６で説明したように、堆積層の底質を表す演算用パラメータとして、第２送受部である底質測定器６００を用いることもあり、またデータベース部である既知密度分布データ６０４を用いることもある。まとめると、一次的な堆積層補正のプロセスにおいて用いられる演算用パラメータは、対象の堆積層の底質に「近い」値であるが、一般的に真の値ではない。
【００６２】
上記の様な演算用パラメータの不確かさ（真値からのズレ）が、どのような影響となって表れるかを以下に説明する。図１６（ｂ）及び図１７（ｂ）に、補正用データを用いないときのソーナー画像１６０８，１７０７を示す。補正画像データ１６０６は、補正を行わないソーナー画像１６０８と比べて画像中の対象物のズレが少なくなり、補正画像データ１７０５は、補正を行わないソーナー画像１７０７と比べて画像中の輝度ムラが少ない。一方で、完全には堆積層の音波伝搬の影響を解消することができず、補正画像データ１６０６においては、真の結像位置から未だズレ分の残渣や輪郭のぼやけが残ってしまう。補正画像データ１７０５においては、若干の輝度ムラやレンジ方向遠方で若干輝度が低い画像になってしまう。
【００６３】
よって、本発明においては、一次的に補正された補正画像データを、基準画像と比較することで対照情報を生成する。その後、さらに対照情報を用いて修正された演算用パラメータを算出し、演算用パラメータを真値に近づけてゆくフィードバックループを加えた。この構成については、図３〜図５を用いて説明した通りである。ここで、対照情報は、前記補正画像データと前記基準画像データとの間の、画像差分値、画像相関量、画像の信号レベルのいずれか１つもしくはそれらの複数の組み合わせの値を比較することで生成される、補正画像と原画像データとの差が信号強度に変換された値であり、また、修正された演算用パラメータは、対照情報に基づいて、画像データの差分として表れる対照情報の値から計算された、海底堆積層の物理パラメータのいずれか一つもしくは複数のパラメータの組み合わせが信号強度に変換された値を計算し、第２計算部に入力される演算用パラメータとして用いることを特徴とする。以下、図１８、図１９を用いて、図３〜図５で説明した、補正画像データとの比較に用いる基準画像３１０、対照情報生成部（第４計算部）３０９で計算される対照情報３１１、底質パラメータ修正部（第５計算部）３１２において計算される修正された演算用パラメータ５００について詳しく説明する。
【００６４】
図１８を用いて、基準画像３１０として、図４における通常ソーナー画像処理部（第６計算部）４００で生成された通常のソーナー画像（原画像）４０２を用いる場合について説明する。この処理では、例えば図１６で示すような真の結像位置からのズレ分の残渣や輪郭のぼやけをさらに解消することができる。図１８には、堆積層補正が一次的になされた補正画像データ１８０１と通常ソーナー画像１８００を示した。これら２つの画像において画像の質がどの程度向上したかを示す値を算出する。この値が対照情報生成部（第４計算部）３０９で計算される対照情報３１１である。ここでの対照情報３１１には２つの例が考えられる。一つは、対象物がどれだけはっきりと描出されているかを示す値である。具体的には、対象物のコントラスト値、輪郭のシャープさを表す、画像の微分値を計算する。もう一つは、対象物の位置のズレ分の補正の向上を表す量であり、これは対象物の重心の移動量１８０３などを用いることができる。これらの値は、「最適な値」は与えられていないものの、値が増えれば（もしくは減れば）画像の質が向上していることを示す値である。
【００６５】
次に、対照情報３１１は底質パラメータ修正部（第５計算部）３１２に伝達され、ここで、堆積層の底質を表すパラメータである演算用パラメータの再推定を行い、修正された演算用パラメータを生成する。対照情報生成部３０９で計算された対照情報３１１を用いて、さらに画質の向上をもたらすように、演算用パラメータの修正を行う。図５に示すように、修正された演算用パラメータ５００は入力切替部（第２入力切替部）５０１に伝達される。ここで、第１計算部３０２で計算された演算用パラメータといずれを演算用パラメータとして用いるかの切替を受け、画像補償計算部３０４へと送られ、再度補正画像の生成が行われる。図１８においては、修正された演算用パラメータβmin、ｐ、ｑ（１８０４）が示されている。ここで、演算用パラメータの修正は、例えば、βmin、ｐ、ｑの一つもしくは複数の値を１％ずつ変化させるという手法がとられる。また、演算用パラメータの修正は、対照情報３１１が画像の向上を示す方向に変化するように選ばれる。
【００６６】
図１８の下段のグラフは、計算回数（ループを回す回数：修正された演算用パラメータを用いて画像を再構成する回数）に対して、対照情報（例えばコントラスト値や微分値）の変化を示すものである。ここで、フィードバックループによる演算用パラメータ修正完了の設定については、２通りの方法がある。第１の方法は、計算回数に例えばｎ＝１０回などの上限を設けておく方法、第２の方法は、対照情報の値と通常ソーナー画像データにおける値１８０８との差１８０７がほぼ一定値に落ち着き、変化しなくなったときに計算を完了するという方法である。また、本実施例には、補正を行った結果、画像の質が落ちてしまったとき（１８０９）に、演算パラメータを再度修正することで、最適な方向に戻すこと（１８１０）ができるという大きな効果がある。
【００６７】
図１９を用いて、基準画像３１０として、図４における参照画像記憶部（メモリ／記憶部）４０３に予め用意された最適な画像４０４を用いる場合について説明する。この処理では、例えば図１７に示したような堆積層内減衰量補正を行ったときに、一次的な堆積層補正では取り除けなかった、画像の輝度ムラを取り除くことができる。図１９には、堆積層補正が一次的になされた補正画像データ１９００と、参照画像記憶部に予め用意された最適な画像１９０１が示されている。ここで最適な画像は例えば、海水中において作成されたソーナー画像であってもよいし、堆積層補正が完全になされたソーナー画像の一つであってもよい。いずれにせよ、堆積層の影響がソーナー画像の中に存在しない形の画像データであればいかなる画像でもかまわない。
【００６８】
ここで、ソーナー画像中の、アジマス方向の一本のデータ１９０２を取り出して、２つの画像１９００，１９０１間の画像輝度値の差分をとる。もし、堆積層の影響が完全に解消されていれば、この値はすべてのレンジ方向についてゼロである。一方で底質パラメータの推算が完全でない時などには、取り除ききれない影響が、１９０３のようにレンジ方向に分布を持って表れてくる。これは、堆積層補償を行わないときのソーナー画像における輝度ムラ１９０４と比べると大きさは小さくなっているものの、取り切れない残渣１９０５が残っている。そこで、この残渣分１９０５が、ここでの対照情報生成部（第４計算部）で計算される対照情報３１１となる。また、この対照情報は、図１８の説明の場合と同様に底質パラメータ修正部（第５計算部）３１２に伝達され、ここで、堆積層の底質を表すパラメータである演算用パラメータの再推定を行い、修正された演算用パラメータ１９０６を生成する。演算パラメータとして例えばβmin、ｐ、ｑ（１９０６）を用いることは図１８の実施例と同様である。なお、基準画像３１０として参照画像記憶部（メモリ／記憶部）４０３に予め用意された最適な画像４０４を用いる場合には、参照画像との差分値である対照情報の値がゼロに近づくように、演算パラメータβmin、ｐ、ｑを修正する。
【００６９】
図１９の下段のグラフは、計算回数（ループを回す回数：修正された演算用パラメータを用いて画像を再構成する回数）に対する対照情報（ここでは画像輝度値の差分）の変化を示すものである。前述のようにここでは最適な画像との差分値を対照情報として用いるために、この対照情報の値は、ゼロ（点線１９１０）の近傍にばらつく。よってこのゼロとの差分の１９０９が、ループを回す回数に従って徐々に小さくなって行くようなループ処理となる。この差分値（対照情報の値）がゼロに近づけば近づくほど、堆積層の補償が高精度で行われていることになる。よって、この対照情報との差分値がある閾値Ｔを下回ったときにループ処理を終了させればよい。図１８の場合と同様に、経験的にループ回数ｎ＝１０回などのように回数を予め決定してもよい。
【００７０】
ここで、基準画像と補正画像データとの間で計算される対照情報に関しては、図１８、図１９において説明した対照情報の例以外にも、画像の差分値・相関係数・ノイズ成分の大きさの違いなど、いかなる画像間の差分を用いてよい。また、そのとき用いられる対照情報は、図１８、図１９の場合と同様に、対照情報の値から、底質パラメータ修正部（第５計算部）において演算用パラメータの再推定が行うことが可能な情報である。また、修正された演算用パラメータとしては、βmin、ｐ、ｑについて説明したが、これは前述のように（２）式を用いて算出された、海底堆積層の深さ方向の物理パラメータの分布を示す値である。もちろん、先の演算用パラメータと同様、修正された演算用パラメータとしても海底堆積層の深さ方向の物理パラメータ分布を示す、いかなる複数のパラメータを修正された演算用パラメータとして用いてもよいし、もちろん、（２）式以外の近似式を用いてもかまわない。以上、本発明における堆積層補償の骨格、すなわち、（１）堆積層の底質パラメータから堆積層補正がされたソーナー画像を作成する、（２）画像補正の効果を判定し、フィードバックすることでさらに良好な堆積層補正がされたソーナー画像を作成する、というループについて説明を行った。
【００７１】
次に、図２０を用いて、演算用パラメータとして、図６に示した第２送受部である底質測定器６００を用いる場合と、データベース部である既知密度分布データ６０４を用いる場合について説明する。まず図２０（ａ）は、第２送受部である底質測定器が航走体２００１に具備されている場合の例を示す。ここで航走体２００１には、第１送受部であるソーナー送受信部２００２も具備される。第１の実施例としては、このソーナー送受信部２００２による受信信号を用いて底質を表すパラメータである演算用パラメータの推算を行う例が考えられる。これは、これまで図３〜図５の実施例で示した場合に対応する。このソーナー送受信部２００２からソーナー音波が堆積層２００３に対して送信され、また受信された音波に対して、前記ソーナー原画像の生成及び底質の補償された補正画像が生成される。ここで、図２０（ａ）においては、さらに第２送受部である底質測定器２００４が具備される。底質測定器２００４は、堆積層２００３に対して底質測定用の音波を送波し、受波する。またソーナー送受信部２００２で受信した受信信号及び底質測定器２００４で受信した受信信号は、入力切替部６０２以下の堆積層を補償したソーナー画像を生成するための画像処理ブロック２００５に伝達される。
【００７２】
ここで、第２送受部における音波の周波数は５ｋＨｚ以上１０ＭＨｚ以下、さらに好ましくは１００ｋＨｚ以上１０ＭＨｚ以下である。底質測定器として音波の送受信を行う場合には、１００ｋＨｚ以下の比較的低周波の音波を用いて堆積層の内部に音波が十分透過することを目的とする場合と、１００ｋＨｚ以上の比較的高周波の音波を用いて、波長を短くすることで堆積層内部の密度分布や間隙率分布を、高い空間分解能で測定することを目的とする場合の２通りがある。そのため、底質測定器２００４の周波数は、５ｋＨｚ以上１０ＭＨｚ以下、さらに好ましくは１００ｋＨｚ以上１０ＭＨｚ以下である。
【００７３】
次に、図２０（ｂ）においては、第２送受部である底質測定器２００７は航走体２００１から物理的に離れて設けられる。この場合、底質測定器は前記の第２送受部の代わりに、堆積物の内部のコアサンプルを取得して、密度分布や間隙率分布を物理的に測定する堆積物コアサンプラーであっても、音波の送受を用いるのでなく電磁式送受波器などの堆積物物理パラメータ測定器であってもよい。もちろん音波の送受を行っても良く、その場合、底質測定器２００７の周波数は５ｋＨｚ以上１０ＭＨｚ以下、さらに好ましくは１００ｋＨｚ以上１０ＭＨｚ以下とする。このとき、図２０（ａ）と同様に、ソーナー送受信部２００２で受信した受信信号及び底質測定器２００７で受信した受信信号は、入力切替部６０２以下の堆積層を補償したソーナー画像を生成するための画像処理ブロック２００５に伝達される。
【００７４】
図２０（ｃ）は、予め用意されたデータベース部２００９からの堆積層の底質を表す演算用パラメータを用いる場合の例を示している。これは図６における、既知密度分布データ６０４の情報を第２計算部である画像補償計算部３０４で使用する場合に対応する。この場合、底質測定器は使用せずに、ソーナー送受信部２００２で受信した受信信号及びデータベース部２００９に保持される演算用パラメータは、入力切替部５０１以下の堆積層を補償したソーナー画像を生成するための画像処理ブロック２００５に伝達される。
【００７５】
図２１を用いて、音波を用いた堆積層の底質パラメータ測定方法の実施例をいくつか示す。図２１（ａ）は、堆積層の底質によって減衰率が違うことを利用した底質推算方法の説明図である。ここで底質測定器２１０１から音波が照射される。左側は場所Ａの堆積層２１０２を測定している図、右側は場所Ｂの堆積層２１０３を測定している図である。このとき、受信部において受信される受信音波の中には、堆積層の表面で反射した音波２１０４，２１０５のほかに、堆積層内部から帰ってくる音波２１０６，２１０７がある。ここで堆積層内部からの受信信号２１０６と２１０７には、受信レベルに大きさの違いが生じる。これは図１０において示したとおり、堆積層の底質によって音波の減衰率が異なるためであり、内部からの音波の振幅２１０６と２１０７の値からそれぞれの底質パラメータを推算することができる。例えば、２１０４の値を１０としたとき、２１０６の値が５だったときには、簡便に−６ ｄＢの減衰量となり、図１０のようなシミュレーション結果と照らし合わせることで、そのときの間隙率βの大きさを推算することができる。
【００７６】
図２１（ｂ）は、堆積層の底質によって堆積層内の音波の到達レンジが変わることを利用した底質推算方法の説明図である。推算方法の説明に先立ち、図２２を用いて、到達レンジが底質に対してどのように変わるかを説明する。
【００７７】
図２２は、堆積層の音波伝搬計算によるシミュレーション結果であり、堆積層の底質（堆積物密度）とソーナーの到達レンジの関係を表すグラフである。ここでソーナーの到達レンジとは、実際に音波画像が取得できる範囲と一対一対応する。グラフ中において、線２２０１、線２２０２及び線２２０３は、それぞれ音波の周波数がｆ１，ｆ２及びｆ３の時に対応しており、数字が大きくなるに従って周波数は高くなっている。さらにグラフに示されるように、到達レンジの大きさも堆積層の底質に依存して大きく変わることがわかる。堆積物密度が小さいときには到達レンジが大きくなり、１００ｍ以上の到達レンジである場合もある。一方で、堆積物密度が大きいときには到達レンジは高々２０ｍでしかないこともわかる。このように到達レンジの大きさが変わると言うことは、底質によって、ソーナーの期待される性能（どれだけ効率よく探査が行えるか）が大きく変わることに他ならない。また、図２２のグラフから、この傾向が音波の周波数によっても同様に大きく変わることが明らかである。よって、ある周波数の音波による到達レンジを測定することができれば、堆積層の底質が逆算できることがわかる。
【００７８】
図２１（ｂ）に戻ると、左側が堆積物密度が小さい場所Ａ（密度＝２．１）、右側が堆積物密度が大きい場所Ｂ（密度＝１．７）である。このとき図２２を見ると、周波数がｆ１の時、場所Ａの到達レンジは４５ｍ、場所Ｂの到達レンジは２０ｍである。図２１に、場所Ａの到達レンジ２１１０、場所Ｂの到達レンジ２１１１を図示している。ここで、ある参照対象物２１０９を堆積層の中に設置することで、その参照対象物２１０９がソーナー画像に見え始める位置が場所Ａと場所Ｂとで異なることがわかる。場所Ａにおいては、参照対象物はソーナーから比較的遠い距離２１１２の場所から見え始める。一方で場所Ｂにおいては、ソーナーからの距離２１１３が近くならないと参照対象物２１０９の画像は見えない。ここで、この距離２１１２及び距離２１１３は、堆積層の密度に依存した値になることがわかる。この距離をソーナー画像上で測ることにより、堆積層２１０２，２１０３の底質が推算できる。この場合は、距離から逆算して、堆積層の密度がそれぞれ場所Ａでは２．１、場所Ｂでは１．７であることがわかる。
【００７９】
図２１（ｃ）は、堆積層の底質によって堆積層表面での臨界角の大きさが変わることを利用した底質推算方法の説明図である。推算方法の説明に先立ち、図２３を用いて、音波の臨界角が底質に対してどのように変わるかを説明する。
【００８０】
図２３は、堆積層の音波伝搬計算によるシミュレーション結果であり、堆積層の底質（堆積物密度）とソーナー入射臨界角の関係を表すグラフである。ここで、入射臨界角とは、堆積層の中に音波が伝わってゆかなくなる角度であり、入射臨界角以下の角度で堆積層に音波を入射しても、堆積層中に音波は透過してゆかない。グラフ中において、線２３０１，２３０２，２３０３，２３０４及び２３０５はそれぞれ、周波数がｆ１，ｆ２，ｆ３，ｆ４及びｆ５のときの底質と臨界角の関係を示しており、ｆ１からｆ５まで番号が大きくなるに従って周波数が高くなっている。図２３のグラフより、底質に依存してソーナーの入射臨界角は大きく変わることがわかる。すなわち、堆積層の底質によって、堆積層中に伝わる音波の量は大きく変わることが示される。また、この傾向は音波の周波数によっても同様に大きく変わることがグラフに示されている。よって、ある周波数の音波臨界角の大きさがわかれば、堆積層の底質が逆算できることがわかる。
【００８１】
ここで、図２１（ｃ）に戻ると、音波送波器２１１５から送信された音波は、ある一定の角度以下の入射角では全反射しか起こさない。そこで、レシーバ列２１１６を用意することで、グラフ２１１７に示すように、レシーバ位置によって信号強度が急激にあがる場所が存在する。そのレシーバ位置から、臨界角の測定が可能である。よって本実施例からは臨界角を測定することにより、堆積層の底質が推算できる。
【００８２】
図２４は、本発明の音波撮像装置における画像表示部、底質パラメータ表示部、入力切替部及び底質パラメータ調整部の例を示す図である。図２４（ａ）に示すように、音波撮像装置２４００には、基準画像を表示する基準画像表示部２４０１と補正画像を表示する補正画像表示部が具備されている。ただし、図２４（ｂ）に示すように、基準画像表示部２４０１はなくてもよく、補正画像表示部２４０２が具備されているだけでもよい。本例の音波撮像装置２４００には、３つの入力切替部が設けられている。図の例では装置筐体に３つの入力切替部が用意されているが、装置内部で切替えを行ってもよく、音波撮像装置筐体に具備される入力切替部は０〜３のいずれの個数でもよい。ここでは、基準画像としてメモリ／記憶部の画像データとソーナー送受信部からの画像データを切り分ける第１入力切替部２４０４が具備される。また、演算パラメータの切替を、既知密度分布データ、第１計算部で計算された演算パラメータ、自動的な画質向上ループを行う場合の修正された演算パラメータ、調整部２４０７においてマニュアルで調整された、調整された演算パラメータの４つの演算パラメータの間で切り替える第２切替部２４０５が設けられている。最後に、第１計算部への入力として、ソーナー送受信部と底質測定器のどちらの受信信号を使うかを切り替える第３入力切替部２４０６が設けられている。
【００８３】
さらに、音波撮像装置２４００には、演算用パラメータの調整部２４０７が具備される。調整部２４０７は、つまみ部でも、レバーの形をとっていてもよく、実質的に演算用パラメータを調整可能であればよい。また調整される演算用パラメータは複数であってもよく、したがって演算用パラメータ調整部２４０７は複数存在してもよい。図示の例では、明示的に演算用パラメータとして、図１１にて説明した堆積層の間隙率分布を表すパラメータであるβmin、ｐ、ｑを調整する調整部を有し、更に演算用パラメータの表示部２４０８を有する。演算用パラメータの表示部２４０８においては、そのときの補正画像データの作成に用いられる演算用パラメータの物理的な値が表示される。ここでも表示される演算用パラメータは複数であってもよく、したがって演算用パラメータ（底質パラメータ）表示部２４０８は複数存在してもよい。ここでは、入力切替部２４０５の切替に従って、既知密度分布データ、第１計算部で計算された演算パラメータ、自動的な画質向上ループを行う場合の修正された演算パラメータ、調整部２４０７においてマニュアルで調整された、調整された演算パラメータの４つの演算パラメータのうちいずれかの演算パラメータが表示される。図２４においては、入力切替部２４０５はAuto位置にあるため、修正された演算用パラメータの値が、表示部２４０８に表示されている。また、βminが０．７２の時、ｐが０．５４のとき、ｑが０．５３の時の値が図２４には表示されている。
【００８４】
以上により、図２４に示した音波撮像装置は、参照画像及び補償画像、さらには演算用パラメータを、オペレータが参照しながら、底質パラメータを調整することが可能となり、より真の画像に近い補償画像を得ることができ、また図５から図７に示したフィードバックループに従って、自動的により好適な堆積層の補正画像データを得ることもできる。
【００８５】
図２５を用いて、演算用パラメータを利用してソーナーの音波照射条件を変化させる方法について説明する。図２５（ａ）は、底質に応じて、１回の走査による探索範囲を変更する例を示している。底質が推算されると、図２１で説明したように、その底質に応じた到達レンジが推算できる。そのため、図２５（ａ）の例では、たとえば底質Ａ（２５０１）においては、５回の探索、底質Ｂ（２５０２）においては２回の探索というように、底質に応じた超音波送信条件の制御を行う。
【００８６】
また、図２２において説明したように、到達レンジは周波数によって可変である。図２５（ｂ）では、それを利用して周波数変更によるアダプティブな到達レンジ変更を行っている。左図に示すように、周波数Ａ（２５０７）では、到達レンジ２５０４が短いため埋没物２５０６を画像化するには十分な到達レンジが稼げないとする。このとき、右図に示すように、周波数を制御し、周波数Ｂ（２５０８）に変更することによって、埋没物２５０６を画像化するに十分な到達レンジ２５０５をもった超音波の送受信を行うことができる。
【００８７】
図２５に示した方法のほか、堆積層の底質に依存したより高効率な音波送信・受信が可能となるようないかなる音波の照射条件の制御も本発明の範囲に属する。たとえば、減衰率を考慮した送信音圧の変更、ビームパターンの変更、音波パルスの波形の変更、音波送信間隔の変更、なども本発明の範疇である。
【図面の簡単な説明】
【００８８】
【図１】海中及び海底堆積層における音波撮像装置の概略図。
【図２】海底堆積層による音波画像のズレ分・歪み分を示す説明図。
【図３】本発明による音波撮像装置及び画像処理アルゴリズムの基本実施例を示す図。
【図４】本発明による音波撮像装置及び画像処理アルゴリズムの実施例を示す図。
【図５】本発明による音波撮像装置及び画像処理アルゴリズムの実施例を示す図。
【図６】本発明による音波撮像装置及び画像処理アルゴリズムの実施例を示す図。
【図７】本発明による音波撮像装置及び画像処理アルゴリズムの実施例を示す図。
【図８】本発明による音波撮像装置及び画像処理アルゴリズムの実施例を示す図。
【図９】海底堆積層の底質パラメータを説明する図。
【図１０】ソーナー周波数に対する堆積層内の減衰率を表すグラフ。
【図１１】堆積層深さに対する間隙率の場所Ａと場所Ｂにおける実測値を示す図。
【図１２】堆積層内の物理パラメータの計算例を示す図。
【図１３】場所の違いによる音速、到達レンジ、音波の強さの違いを示す図。
【図１４】ソーナーによる堆積層内画像化を説明する図。
【図１５】堆積層の画像補正パラメータを示す図。
【図１６】補正画像データの一例を示す図。
【図１７】補正画像データの一例を示す図。
【図１８】対照情報と演算パラメータ修正の一例を示す図。
【図１９】対照情報と演算パラメータ修正の一例を示す図。
【図２０】底質測定器とデータベース部の実施例を示す図。
【図２１】底質測定器による底質推算方法の実施例を示す図。
【図２２】到達レンジと密度の関係を示す図。
【図２３】入射臨界角と密度の関係を示す図。
【図２４】本発明による音波撮像装置の表示部の例を示す図。
【図２５】ソーナー送信信号制御の実施例を示す図。
【符号の説明】
【００８９】
１００ 船体
１０１ 航走体
１０２ ソーナー
１０３ ソーナーからの送信音波
１０４ 対象物
１０５ 海底面
１０６ ソーナーへの受信音波
１０７ ソーナー画像
１０８ ソーナー画像上の対象物の結像画像
１０９ 海底堆積層
１１０ 海底堆積層に埋まった対象物
２００ ソーナー
２０１ ソーナーからの送信音波
２０２ 対象物
２０３ 海中対象物のソーナー画像
２０４ ソーナー画像上の対象物の結像画像
２０５ 堆積層
２０６ 海底堆積層中の対象物
２０７ 海底堆積層に対して照射されたソーナーからの送信音波
２０８ 海底堆積層に対象物がある場合のソーナー画像
２０９ ソーナー画像上の海底堆積層中の対象物
３００ ソーナー送受信部（第１送受部）
３０１ ソーナーの受信信号
３０２ 底質計算部（第１計算部）
３０３ 演算用パラメータ
３０４ 画像補償計算部（第２計算部）
３０５ 補正用データ
３０６ 補償画像処理部（第３計算部）
３０７ ソーナーの受信信号
３０８ 補正画像データ
３０９ 対象情報生成部（第４計算部）
３１０ 基準画像
３１１ 対照情報
３１２ 底質パラメータ修正部（第５計算部）
４００ 通常ソーナー画像処理部（第６計算部）
４０１ ソーナー受信信号
４０２ 通常のソーナー画像
４０３ 参照画像記憶部（メモリ／記憶部）
４０４ 最適な補償画像
４０５ 入力切替部（第１入力切替部）
５００ 修正された演算用パラメータ
５０１ 入力切替部（第２入力切替部）
５０２ 切替後の演算用パラメータ
６００ 底質測定器（第２送受部）
６０１ 底質測定器の受信信号
６０２ 入力切替部（第３入力切替部）
６０３ 底質計算部に入力される演算用パラメータ
６０４ 既知密度分布データ（データベース部）
６０５ 既知の演算用パラメータ
６０６ 画像補償計算部に対して伝達される演算用パラメータ
７００ 底質パラメータツマミ部
７０１ 演算用パラメータ調整信号
７０２ 調整された演算用パラメータ
７０３ 底質表示部（表示部）
７０４ 底質表示部に入力される演算用パラメータ（底質パラメータ）
７０５ 調整された演算用パラメータ
８００ ソーナー送信信号制御部（信号制御部）
８０１ 画像処理アルゴリズムのブロック
８０２ 画像処理アルゴリズム中の任意の演算用パラメータ
８０３ ソーナー送受信部の制御信号
８０４ 制御されたソーナー送信信号
９００ 海底堆積層の構造を示す図
９０１ 海底堆積層内の固体粒子
９０２ 海底堆積層内の間隙流体
９０４ 平均粒子径ｄと間隙率βの関係
１１０２ 場所Ａの間隙率分布の近似曲線
１１０３ 場所Ｂの間隙率分布の近似曲線
１２００ 場所Ａにおける透水係数の堆積層深さ方向分布の推算結果
１２０２ 場所Ｂにおける透水係数の堆積層深さ方向分布の推算結果
１３０ 堆積層深さに対する音速の変化を表すグラフ
１３１ 堆積層深さに対する到達レンジの変化を表すグラフ
１３２ 音波の到達レンジに対する音波の強さの変化を表すグラフ
１３００ 海底堆積層
１３０１ ソーナー送受信部
１３０２ ソーナーからの送信音波
１３０３ 音波送信方向の海底堆積層に水平な成分（到達レンジ方向）
１３０４ 海底堆積層の深さ方向
１３０５ 場所Ａの音速分布
１３０６ 場所Ｂの音速分布
１３０７ 海水の音速
１３０８ 場所Ａの音波伝搬経路
１３０９ 場所Ｂの音波伝搬経路
１３１０ 媒質が海水の場合の音波伝搬経路
１３１１ 場所Ａにおける音波の到達レンジに対する音波の強さ
１３１２ 場所Ｂにおける音波の到達レンジに対する音波の強さ
１３１３ 堆積層が存在せず海水のみであるときの音波の強さの変化を表す図
１４００ ソーナー
１４０１ 海水中
１４０２ 航走体（ソーナー）の移動方向
１４０３ アジマス方向
１４０４ レンジ報告
１４０５ ソーナー画像
１４０６ 海底堆積層
１４０７ 海底堆積層表面の音波投影面
１４０８ 海底堆積層内の音波投影面
１４０９ 海底堆積層内の音波投影面からの反射音信号
１５０ 音速補正用データ
１５１ 伝搬経路補正用データ
１５２ 減衰量補正用データ
１５００ 海水のみの場合の音波伝搬時間
１５０１ 堆積層がある場合の音波伝搬時間
１５０２ ソーナー画像任意の点に与えた音速補正量（ｔ’−ｔ）
１５０３ 受信信号一本に対して与えた音速補正量
１５０４ 海水のみの場合の音波の伝搬経路
１５０５ 堆積層内の音波の伝搬経路
１５０６ 深さＺにおける海水の場合と堆積層の場合のレンジ方向位置の差分
１５０７ ソーナー画像任意の点に与えた伝搬経路補正量
１５０８ 受信信号一本に対して与えた伝搬経路補正量
１５０９ ソーナー
１５１０ 堆積層内の伝搬距離
１５１３ レンジ方向に対する受信音波の強さ
１５１４ ソーナー画像上の任意の点に与えた輝度分布補正量
１５１５ 受信信号一本に対して与えた輝度補正量
１６０１ ソーナー送受信部からの受信信号
１６０２ 補正用データ
１６０３ 堆積層によるズレ分
１６０４ ズレ分の補償量
１６０５ ソーナー画像処理プロセス
１６０６ 補正画像データ
１６０８ 通常ソーナー画像
１７０１ ソーナーの受信信号
１７０２ 減衰補正量
１７０３ 補正された受信信号
１７０４ ソーナー画像処理プロセス
１７０５ 補正画像データ
１７０７ 通常ソーナー画像
１８００ 通常ソーナー画像
１８０１ 堆積層補正が一次的になされた補正画像データ
１８０３ 重心の移動量
１８０４ 修正された演算用パラメータ
１８０７ 通常ソーナー画像での値との対照情報の値の差分
１８０８ 通常ソーナー画像における対照情報
１８０９ 画像の質が落ちてしまったとき
１８１０ 画像の質の再向上
１９００ 補正用画像データ
１９０１ 予め用意された最適な画像
１９０２ アジマス方向の一本の画像データ
１９０３ 堆積層補償を行ったあとの残渣の分布
１９０４ 通常ソーナー画像における輝度ムラの分布
１９０５ 残渣分の量
１９０６ 修正された演算用パラメータ
１９０９ ゼロとの差分値
１９１０ 縦軸ゼロの線
２００１ 航走体
２００２ ソーナー送受信部
２００３ 堆積層
２００４ 底質測定器（第２送受部）
２００５ 画像処理ブロック
２００７ 底質測定器
２００９ データベース部（既知密度分布データ）
２１０１ 底質測定器
２１０２ 場所Ａの堆積層
２１０３ 場所Ｂの堆積層
２１０４ 場所Ａの表面散乱
２１０５ 場所Ｂの表面散乱
２１０６ 場所Ａの堆積層からの受信信号
２１０７ 場所Ｂの堆積層からの受信信号
２１０９ 参照対象物
２１１０ 場所Ａの到達レンジ
２１１１ 場所Ｂの到達レンジ
２１１２ 場所Ａの対象物検知距離
２１１３ 場所Ｂの対象物検知距離
２１１５ 音波送波器
２１１６ レシーバ列
２１１７ レシーバ列の信号強度の分布
２２０１ 周波数ｆ１の時の底質とソーナー到達レンジの関係
２２０２ 周波数ｆ２の時の底質とソーナー到達レンジの関係
２２０３ 周波数ｆ３の時の底質とソーナー到達レンジの関係
２３０１ 周波数ｆ１の時の底質と臨界角の関係
２３０２ 周波数ｆ２の時の底質と臨界角の関係
２３０３ 周波数ｆ３の時の底質と臨界角の関係
２３０４ 周波数ｆ４の時の底質と臨界角の関係
２３０５ 周波数ｆ５の時の底質と臨界角の関係
２４００ 音波撮像装置筐体
２４０１ 基準画像表示部
２４０２ 補正画像表示部
２４０４ 第１入力切替部
２４０５ 第２入力切替部
２４０６ 第３入力切替部
２４０７ 演算用パラメータ調整部
２４０８ 演算用パラメータ表示部
２５０１ 底質Ａの時の掃海計画
２５０２ 底質Ｂの時の掃海計画
２５０４ 周波数Ａにおける到達レンジ
２５０５ 周波数Ｂにおける到達レンジ
２５０６ 対象物
２５０７ 周波数Ａの送信音波
２５０８ 周波数Ｂの送信音波
【特許請求の範囲】
【請求項１】
海中の海底堆積層に向けて音波を送波し反射波を受波して受信信号を発生する第１送受部と、
前記第１送受部の受信信号に基づいて海底堆積層の物理パラメータを表す演算用パラメータを計算する第１計算部と、
前記演算用パラメータを用いて、海底堆積層内の音波伝搬によって生じるソーナー画像のズレ分を補正するための補正用データを生成する第２計算部と、
前記第１送受部から発生された受信信号に対して、前記補正用データを用いて前記ズレ分の補正を施した補正画像データを生成する第３計算部と、
前記補正画像データに基づくソーナー画像を表示する画像表示部と
を有することを特徴とする音波撮像装置。
【請求項２】
前記補正画像データを基準画像データと比較しズレ分の補正効果を表す対照情報を生成する第４計算部と、
前記対照情報に基づいて前記演算用パラメータを修正する第５計算部と
を有することを特徴とする請求項１に記載の音波撮像装置。
【請求項３】
前記第１送受部の受信信号に基づいてソーナー画像データを生成する第６計算部を有し、前記第４計算部は前記基準画像データとして当該ソーナー画像データを用いることを特徴とする請求項２に記載の音波撮像装置。
【請求項４】
予め用意された画像データを保持する記憶部を有し、前記第４計算部は前記基準画像データとして前記記憶部に保持された画像データを用いることを特徴とする請求項２に記載の音波撮像装置。
【請求項５】
前記第２計算部は、前記演算用パラメータとして前記第５計算部によって修正された演算用パラメータを用いて前記補正用データを生成することを特徴とする請求項２〜４のいずれか１項に記載の音波撮像装置。
【請求項６】
前記第１送受部と独立して海中の海底堆積層に向けて音波を送波し反射波を受波して受信信号を発生する第２送受部を有し、前記第１計算部は、前記第１送受部の受信信号に代えて前記第２送受部の受信信号に基づいて海底堆積層の物理パラメータを表す演算用パラメータを計算することを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に記載の音波撮像装置。
【請求項７】
前記第２送受部から送波する音波の周波数は５ｋＨｚ以上１０ＭＨｚ以下であることを特徴とする請求項６に記載の音波撮像装置。
【請求項８】
海底堆積層の物理パラメータを測定する測定器を備え、前記第１計算部は、前記第１送受部の受信信号に代えて前記測定器によって測定された信号に基づいて海底堆積層の物理パラメータを表す演算用パラメータを計算することを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に記載の音波撮像装置。
【請求項９】
海底堆積層の物理パラメータを表す複数の演算用パラメータを保持するデータベース部を有し、前記第２計算部は、前記データベース部に保持された演算用パラメータを用いて前記補正用データを生成することを特徴とする請求項１〜８のいずれか１項に記載の音波撮像装置。
【請求項１０】
前記演算用パラメータの値を調整し、調整された演算用パラメータを前記第２計算部に出力する調整部を有することを特徴とする請求項１〜９のいずれか１項に記載の音波撮像装置。
【請求項１１】
前記演算用パラメータの値を表示する表示部を有する請求項１〜１０のいずれか１項に記載の音波撮像装置。
【請求項１２】
前記画像表示部は、前記ソーナー画像と並べて前記基準画像データに基づく画像を表示できることを特徴とする請求項２〜１１のいずれか１項に記載の音波撮像装置。
【請求項１３】
前記演算用パラメータは、海底堆積層の密度、間隙率、あるいは透水係数の深さ方向の分布形状を決定する係数であることを特徴とする請求項１〜１２のいずれか１項に記載の音波撮像装置。
【請求項１４】
前記対照情報は、前記補正画像データと前記基準画像データとの間の、画像差分値、画像相関量、画像の信号レベルのいずれか１つもしくはそれらの複数の組み合わせの値を比較することで生成される、補正画像と原画像データとの差が信号強度に変換された値であることを特徴とする請求項１〜１３のいずれか１項に記載の音波撮像装置。
【請求項１５】
前記第５計算部では、前記対照情報に基づいて、画像データの差分として表れる対照情報の値から計算された、海底堆積層の物理パラメータのいずれか一つもしくは複数のパラメータの組み合わせが信号強度に変換された値を計算し、第２計算部に入力される演算用パラメータとして用いることを特徴とする請求項１〜１４のいずれか１項に記載の音波撮像装置。
【請求項１６】
前記演算用パラメータの値を用いて、前記第１送受部から送波される音波の送信条件を制御する送信制御部をさらに有することを特徴とする請求項１〜１５のいずれか１項に記載の音波撮像装置。
【請求項１７】
前記第１送受部で送信する音波の周波数は１ＭＨｚ以下であることを特徴とする請求項１〜１６のいずれか１項に記載の音波撮像装置。
【請求項１】
海中の海底堆積層に向けて音波を送波し反射波を受波して受信信号を発生する第１送受部と、
前記第１送受部の受信信号に基づいて海底堆積層の物理パラメータを表す演算用パラメータを計算する第１計算部と、
前記演算用パラメータを用いて、海底堆積層内の音波伝搬によって生じるソーナー画像のズレ分を補正するための補正用データを生成する第２計算部と、
前記第１送受部から発生された受信信号に対して、前記補正用データを用いて前記ズレ分の補正を施した補正画像データを生成する第３計算部と、
前記補正画像データに基づくソーナー画像を表示する画像表示部と
を有することを特徴とする音波撮像装置。
【請求項２】
前記補正画像データを基準画像データと比較しズレ分の補正効果を表す対照情報を生成する第４計算部と、
前記対照情報に基づいて前記演算用パラメータを修正する第５計算部と
を有することを特徴とする請求項１に記載の音波撮像装置。
【請求項３】
前記第１送受部の受信信号に基づいてソーナー画像データを生成する第６計算部を有し、前記第４計算部は前記基準画像データとして当該ソーナー画像データを用いることを特徴とする請求項２に記載の音波撮像装置。
【請求項４】
予め用意された画像データを保持する記憶部を有し、前記第４計算部は前記基準画像データとして前記記憶部に保持された画像データを用いることを特徴とする請求項２に記載の音波撮像装置。
【請求項５】
前記第２計算部は、前記演算用パラメータとして前記第５計算部によって修正された演算用パラメータを用いて前記補正用データを生成することを特徴とする請求項２〜４のいずれか１項に記載の音波撮像装置。
【請求項６】
前記第１送受部と独立して海中の海底堆積層に向けて音波を送波し反射波を受波して受信信号を発生する第２送受部を有し、前記第１計算部は、前記第１送受部の受信信号に代えて前記第２送受部の受信信号に基づいて海底堆積層の物理パラメータを表す演算用パラメータを計算することを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に記載の音波撮像装置。
【請求項７】
前記第２送受部から送波する音波の周波数は５ｋＨｚ以上１０ＭＨｚ以下であることを特徴とする請求項６に記載の音波撮像装置。
【請求項８】
海底堆積層の物理パラメータを測定する測定器を備え、前記第１計算部は、前記第１送受部の受信信号に代えて前記測定器によって測定された信号に基づいて海底堆積層の物理パラメータを表す演算用パラメータを計算することを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に記載の音波撮像装置。
【請求項９】
海底堆積層の物理パラメータを表す複数の演算用パラメータを保持するデータベース部を有し、前記第２計算部は、前記データベース部に保持された演算用パラメータを用いて前記補正用データを生成することを特徴とする請求項１〜８のいずれか１項に記載の音波撮像装置。
【請求項１０】
前記演算用パラメータの値を調整し、調整された演算用パラメータを前記第２計算部に出力する調整部を有することを特徴とする請求項１〜９のいずれか１項に記載の音波撮像装置。
【請求項１１】
前記演算用パラメータの値を表示する表示部を有する請求項１〜１０のいずれか１項に記載の音波撮像装置。
【請求項１２】
前記画像表示部は、前記ソーナー画像と並べて前記基準画像データに基づく画像を表示できることを特徴とする請求項２〜１１のいずれか１項に記載の音波撮像装置。
【請求項１３】
前記演算用パラメータは、海底堆積層の密度、間隙率、あるいは透水係数の深さ方向の分布形状を決定する係数であることを特徴とする請求項１〜１２のいずれか１項に記載の音波撮像装置。
【請求項１４】
前記対照情報は、前記補正画像データと前記基準画像データとの間の、画像差分値、画像相関量、画像の信号レベルのいずれか１つもしくはそれらの複数の組み合わせの値を比較することで生成される、補正画像と原画像データとの差が信号強度に変換された値であることを特徴とする請求項１〜１３のいずれか１項に記載の音波撮像装置。
【請求項１５】
前記第５計算部では、前記対照情報に基づいて、画像データの差分として表れる対照情報の値から計算された、海底堆積層の物理パラメータのいずれか一つもしくは複数のパラメータの組み合わせが信号強度に変換された値を計算し、第２計算部に入力される演算用パラメータとして用いることを特徴とする請求項１〜１４のいずれか１項に記載の音波撮像装置。
【請求項１６】
前記演算用パラメータの値を用いて、前記第１送受部から送波される音波の送信条件を制御する送信制御部をさらに有することを特徴とする請求項１〜１５のいずれか１項に記載の音波撮像装置。
【請求項１７】
前記第１送受部で送信する音波の周波数は１ＭＨｚ以下であることを特徴とする請求項１〜１６のいずれか１項に記載の音波撮像装置。
【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２４】
【図２５】
【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２４】
【図２５】
【公開番号】特開２０１０−７１９５７（Ｐ２０１０−７１９５７Ａ）
【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２００８−２４３０９９（Ｐ２００８−２４３０９９）
【出願日】平成２０年９月２２日（２００８．９．２２）
【出願人】（０００００５１０８）株式会社日立製作所 (27,607)
【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２２日（２００８．９．２２）
【出願人】（０００００５１０８）株式会社日立製作所 (27,607)
【Ｆターム（参考）】
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