３次元探査装置
【課題】スキャニングソナーと同等の送信強度で探信波を送信しても、遠方の標的の位置及び量（魚量等）を、精度よく算出することができる３次元探査装置を提供する。
【解決手段】探信波を送信して当該探信波の反射波を受信する送受波部２００から当該反射波の強度に応じた信号を取得し、探信波により探査される探査範囲における強度分布を含むボリュームデータを生成する３次元探査装置１００において、３次元探査装置１００が、設定された探査距離と、送受波部２００が検出可能な反射波の最小値と、によって定まる値を超えないように、送受波部２００が送信する探信波の立体角を制御する送受波制御部１０３を備える。
【解決手段】探信波を送信して当該探信波の反射波を受信する送受波部２００から当該反射波の強度に応じた信号を取得し、探信波により探査される探査範囲における強度分布を含むボリュームデータを生成する３次元探査装置１００において、３次元探査装置１００が、設定された探査距離と、送受波部２００が検出可能な反射波の最小値と、によって定まる値を超えないように、送受波部２００が送信する探信波の立体角を制御する送受波制御部１０３を備える。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、魚群等を追尾する３次元探査装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
海洋調査や漁場での操業において、ソナー装置に代表される３次元探査装置により、魚群の魚量を精度よく算出することが求められている。水中の魚群の位置、移動方向、及び速度等を正確に捉えるために、３次元探査装置は、広い立体角の探信波（音波）を送受波部（トランスデューサ）から送信する。そして、非特許文献１に開示されたマルチビーム計量科学魚探システム（３次元探査装置）は、探信波により１回で探査される探査範囲に分布する魚群から、反射波（エコー）を受信して、その魚群の位置や３次元の分布等を算出する。
【０００３】
また、特許文献１には、面状の探信波（音波）の送受信方向の俯角を制御しながら、魚群を追尾することを試みたスキャニングソナー（３次元探査装置）が開示されている。また、特許文献２には、探査毎の反射波（エコー）の２次元強度分布を、所定の３次元方向に積分することで、３次元に分布する魚群の魚量を精度よく算出することを試みたスキャニングソナー（３次元探査装置）が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００７−３２７８５５号公報
【特許文献２】特開２００６−１０５７０１号公報
【非特許文献】
【０００５】
【非特許文献１】“マルチビーム計量科学魚探システム ＭＥ７０””、［online］、日本海洋株式会社、［平成２２年２月２２日検索］、インターネット＜URL：http://www.nipponkaiyo.co.jp/measuring/item.php?cid=1&id=30&itid=82＞
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
ところで、水中を俊敏で複雑に３次元移動する魚群を、船底に取り付けられたトランスデューサで捕捉し続けるには、探査範囲を広くする必要がある。このため、３次元探査装置は、トランスデューサから送信する探信波の立体角（以下、「探信波立体角」と称する）を、広くしておく必要があった。しかしながら、探信波立体角を広くすると、スキャニングソナーと同等の探信波の送信強度では、単位立体角あたりの探信波の送信強度が小さくなってしまい、探査距離（探査レンジ）が短くなってしまう、という問題があった。
【０００７】
一方、スキャニングソナーは、厚み方向の角度が送受波器で形成可能なビーム幅のうち最も狭いビーム幅程度であり、かつ厚み方向に直交する方向にはビーム幅が広い面状ビームにより、等価的に立体角が狭い探信波（音波）を、３次元に分布している魚群に対して送信する。これにより、スキャニングソナーは、魚群の２次元断面の反射波（エコー）強度分布を得ている。そして、２次元断面のエコー強度分布に基づく、標的像の寸法と形状の情報では、３次元に分布している魚群を精度よく算出するには情報量が不足してしまい、魚群の位置や量等を精度よく算出することができない、という問題があった。
【０００８】
さらに、スキャニングソナーは、俊敏で複雑な魚群の運動に対し、数秒間隔の探査（サンプリング）を実行するため、これらの探査結果を積算しても、その間の魚群の運動や自船の移動により魚群の正確な分布を捉えることができず、魚群の位置や魚量を算出する精度が劣化する、という問題があった。
【０００９】
本発明は前記の諸点に鑑みてなされたものであり、スキャニングソナーと同等の送信強度で探信波を送信しても、遠方の標的の位置及び量（魚量等）を、精度よく算出することができる３次元探査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】
【００１０】
本発明は、上記の課題を解決するためになされたものであり、探信波を送信して当該探信波の反射波を受信する送受波部から当該反射波の強度に応じた信号を取得し、前記探信波により探査される探査範囲における強度分布を含むボリュームデータを生成する３次元探査装置において、設定された探査距離と、前記送受波部が検出可能な前記反射波の最小値と、によって定まる値を超えないように、前記送受波部が送信する前記探信波の立体角を制御する送受波制御部を備えることを特徴とする３次元探査装置である。
【００１１】
また、本発明は、前記強度分布に基づいて、前記ボリュームデータから標的像を抽出し、当該標的像の前記送受波部に対する位置である標的相対位置を算出する標的像抽出部と、前記標的像と、前記標的相対位置と、前記標的像を探査した際の送信強度及び送信立体角と、前記送受波部の受波有効面積と、に基づいて、前記標的の反射断面積を算出する反射断面積算出部と、を備えることを特徴とする３次元探査装置である。
【００１２】
また、本発明は、前記送受波部の絶対位置データを取得し、該絶対位置データと、前記算出された標的相対位置と、に基づいて、前記標的の絶対位置を算出する標的位置算出部と、前記抽出された標的像と、前記算出された絶対位置と、に基づいて、前記標的の次回の探査における前記送受波部に対する予測相対位置及び予測標的像を予測する標的位置予測部と、前記算出された予測相対位置及び予測標的像に基づいて、前記予測相対位置、前記予測標的像の前記強度分布の中心、前記強度分布の重心、又は前記予測標的像の強度分布が最も強い領域に向けて、前記探信波を送信する探査方向を算出する探査パラメータ算出部と、を備え、前記送受波制御部において、前記算出された探査方向に基づき、前記送受波部が前記標的に送信する次回の前記探信波の送信方向を制御して標的を追尾することを特徴とする３次元探査装置である。
【００１３】
また、本発明は、指定された複数の標的を所定順に探査し、２巡目以降、同じ標的の前回の探査結果に基づいて、探査パラメータを設定して探査することを繰り返して、複数の標的を追尾する制御部を備えることを特徴とする３次元探査装置である。
【００１４】
また、本発明は、前記標的像の前記強度分布の総和に基づく標的量を算出し、さらに同じ標的を複数探査して複数の前記標的量を得て、当該総和に基づく標的量と複数の前記標的量との変動を緩和した量を算出する標的量算出部を備えることを特徴とする３次元探査装置である。
【発明の効果】
【００１５】
本発明によれば、３次元探査装置は、設定された探査距離と、送受波部が検出可能な反射波の最小値とによって定まる値を超えないように、探信波の立体角を制御する。これにより、３次元探査装置は、スキャニングソナーと同等の送信強度で探信波を送信しても、最大の立体角で探査した場合の探査距離より遠方の標的の位置及び量（魚量等）を、精度よく算出することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】本実施の一形態によるソナー装置（３次元探査装置）のブロック図である。
【図２】探信波による探査範囲を説明する図である。
【図３】本実施の一形態によるソナー装置の動作を示すフローチャートである。
【図４】探信波の単位面積当たりの強度を説明する図である。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
次に、本発明の実施の形態について図面を参照して詳細に説明する。図１は、本実施の一形態によるソナー装置（３次元探査装置）のブロック図である。ソナー装置１００は、操作部１０１と、制御部１０２と、送受波制御部１０３と、ボリュームデータ変換部１０４と、表示変換部１０５と、標的量算出部１０６と、探査パラメータ算出部１０７と、標的位置予測部１０８と、抽出領域設定部１０９と、標的像抽出部１１０と、標的位置算出部１１１と、反射断面積算出部１１２とを備える。また、標的像追尾装置１００は、送受波部（送受波器）２００と、表示部３００と、自位置検出部４００とに接続される。
【００１８】
操作部１０１は、例えば、トラックボール、スティックレバー、マウス、タッチパネル、スイッチ等であって、探信波である音波により探査される探査範囲を指定するデータの入力を受け付ける。ここで、探査範囲を指定するデータとは、探査方向指定データと、探査距離指定データと、探査立体角指定データと、前回の探査で表示された標的像を指定する標的像指定データとである。
【００１９】
標的像指定データは、例えば、その指定位置が点として、又は矩形状の枠として、表示部３００に表示されてもよい。また、標的像指定データは、抽出領域としてユーザが任意の１点を指定したデータであっても良いし、抽出領域としてユーザが２点以上を指定した寸法を示すデータであってもよい。
【００２０】
操作部１０１は、処理を指示する処理指示操作の入力を検出する。操作部１０１は、処理指示操作の入力を検出した場合、その処理指示を制御部１０２に出力する。ここで、処理指示には、指定の標的像を追尾するか否かを指示する標的追尾指示と、指定の標的像の量を算出するか否かを指示する標的量算出指示とがある。
【００２１】
操作部１０１は、設定反射断面積データの入力を検出する。ここで、設定反射断面積データとは、標的の反射断面積を示すデータのユーザ設定値である。そして、操作部１０１は、設定反射断面積データを制御部１０２に出力する。
【００２２】
送受波部２００は、例えば、トランスデューサやセンサであって、ソナー装置１００等を搭載した船舶（不図示）の船底に取り付けられている。そして、送受波部２００には、探信波の立体角データと、探信波の送信方向データとが、送受波制御部１０３から入力される。
【００２３】
送受波部２００は、これらのデータに基づいて、探信波（音波）を送波し、魚群などの標的（図２の標的６００）からの反射波を受波する。そして、送受波部２００は、反射波に必要に応じてゲイン補正等を施して、その反射波の強度に応じた信号を、ボリュームデータ変換部１０４に出力する。さらに、送受波部２００は、送受波部２００の実際の駆動状態を示す駆動データを、制御部１０２へ出力する。なお、探信波の送信方向は、鉛直方向に限らなくてもよい。
【００２４】
図２には、鉛直方向に送信した探信波による探査範囲が示されている。図２において、最大立体角で送信された探信波により形成される錐体の錐面５００と、最大強度で送信された探信波５０２の照射面５０３の縁の探査距離５０４に応じた軌跡５０１と、によって囲まれる内部空間が、ソナー装置１００の探査可能範囲である。ここで、最大立体角は、例えば、送受波部２００の構造等によって定まる。
【００２５】
また、探査範囲は、探査可能範囲に含まれる空間であって、探信波５０２が通過する範囲となる。そして、ソナー装置１００は、探信波５０２で標的６００の全体を捉え、標的６００からの反射波の強度に応じた信号を集積（積算）することで、標的６００の量（例えば、魚量）を算出する。
【００２６】
図１に戻り説明を続ける。ボリュームデータ変換部１０４には、反射波の強度に応じた信号が送受波部２００から入力される。ボリュームデータ変換部１０４は、Ａ／Ｄ変換することで、反射波の強度に応じた信号を、探査範囲のボリュームデータに変換する。すなわち、ボリュームデータとは、反射波の強度に応じた信号がＡ／Ｄ変換されて、探査距離ごとに内部メモリ等（不図示）に集積されたデータである。
【００２７】
そして、ボリュームデータ変換部１０４は、このように生成したボリュームデータを、標的像抽出部１１０と表示変換部１０５とに出力する。なお、ボリュームデータの座標表現には、例えば、直交する３次元方向の距離、半径、又は角度を用いた座標表現が用いられてもよい。また、ボリュームデータには、必要に応じて雑音除去のためのフィルタ処理が施されてもよい。
【００２８】
標的像抽出部１１０には、抽出領域設定部１０９が設定した抽出領域データと、ボリュームデータとが入力される。ここで、抽出領域とは、ボリュームデータ全体に対応する領域に含まれる領域であって、ソナー装置１００が反射波の強度分布から標的像を抽出するための計算処理を実行する対象となる領域である。
【００２９】
そして、標的像抽出部１１０は、反射波の強度に基づいて、抽出領域に含まれた標的像を、ボリュームデータから抽出する。また、標的像抽出部１１０は、抽出された標的像のボリュームデータを、標的量算出部１０６と、標的位置予測部１０８と、反射断面積算出部１１２とに出力する。さらに、標的像抽出部１１０は、送受波部２００に対する標的６００（図２を参照）の相対位置である標的相対位置データを、標的位置算出部１１１と、反射断面積算出部１１２とに出力する。
【００３０】
標的量算出部１０６には、標的量算出指示と、標的量平均数と、標的像のボリュームデータとが入力される。そして、標的量算出部１０６は、制御部１０２の標的量算出指示に応じて、ボリュームデータに含まれる標的６００に対応する各座標の反射波の強度に応じた信号を、足し合わせる（集積する）。
【００３１】
さらに、標的量算出部１０６は、標的６００における総和（集積結果）を、標的量データとして算出する。また、標的量算出部１０６は、標的量データを標的量平均数だけ平均した時間平均値を算出して、平均標的量データとして記憶する。そして、標的量算出部１０６は、平均標的量データを表示変換部１０５に出力する。
【００３２】
自位置検出部４００は、例えば、ジャイロ装置や、ＧＰＳ（Ｇｌｏｂａｌ Ｐｏｓｉｔｉｏｎｉｎｇ Ｓｙｓｔｅｍ）などの衛星測位装置により構成される。そして、自位置検出部４００は、ソナー装置１００の送受波部２００の絶対位置データ（例えば、緯度データ、経度データ、対地位置、及び対潮流位置等）を、標的位置算出部１１１に出力する。
【００３３】
標的位置算出部１１１には、標的相対位置データと、送受波部２００の絶対位置データとが入力される。標的位置算出部１１１は、これらのデータに基づいて標的像の絶対位置を算出し、標的像の絶対位置を標的位置予測部１０８と表示変換部１０５とに出力する。
【００３４】
標的位置予測部１０８には、標的像の絶対位置データと、標的像のボリュームデータと、標的探査間隔データとが入力される。標的位置予測部１０８は、標的探査間隔データが示す時間後における標的６００の位置及び分布を、複数の絶対位置データと、標的像のボリュームデータとに基づいて予測する。
【００３５】
ここで、絶対位置データは、同一の標的像の絶対位置を、その標的毎に時間経過に応じて保持したデータである。そして、標的位置予測部１０８は、この予測位置と送受波部２００との相対位置（図２参照）を算出して、予測相対位置データと予測標的像データとを、探査パラメータ算出部１０７と、制御部１０２とに出力する。
【００３６】
そして、標的位置予測部１０８は、標的６００の絶対位置と標的像を記憶する。さらに、標的位置予測部１０８は、標的６００の過去の絶対位置及び標的像、並びにその絶対位置に標的６００が位置していた時刻等に基づいて、次回の探査における標的６００の絶対位置と標的像（予測標的像）を予測する。そして、標的位置予測部１０８は、予測した標的６００の絶対位置に基づいて、標的６００と送受波部２００との相対位置（予測相対位置）を算出する。例えば、標的位置予測部１０８は、標的６００の過去の絶対位置同士をベクトルで結び、そのベクトルを延長することで、標的６００と送受波部２００との相対位置を予測（算出）してもよい。
【００３７】
探査パラメータ算出部１０７には、予測相対位置データと予測標的像データとが入力される。探査パラメータ算出部１０７は、予測相対位置データに基づいて、予測相対位置、予測標的像の強度分布の中心、予測標的像の強度分布の重心、又は予測標的像の強度分布が最も強い領域に向けて、探信波を送信する探査方向を算出する。
【００３８】
さらに、探査パラメータ算出部１０７は、予測相対位置データに基づいて、予測標的像を全て含む探査距離を算出し、探査方向データと探査距離データとを、制御部１０２に出力する。
【００３９】
反射断面積算出部１１２には、標的像のボリュームデータと、標的相対位置データと、標的像を探査した時の送信強度データと、送受波部２００の受波有効面積データとが入力される。反射断面積算出部１１２は、標的像のボリュームデータから算出した強度分布の総和と、標的相対位置データにおける送受波部２００から標的６００までの距離である標的相対距離と、送信強度データと、受波有効面積データとに基づいて、後述する式［数３］に基づいて、標的６００の反射断面積σpを算出する。
【００４０】
図４には、探信波の単位面積当たりの強度を説明する図が示されている。送受波部２００が探信波５１２を送信すると、その探信波５１２の照射面５１３が形成される。ここで、送受波部２００から照射面５１３までの標的相対距離５１４を、Ｒとする。また、照射面５１３の面積を、Sとする。また、送受波部２００における送信強度を、Ｐｔとする。また、探信波５１２の立体角をΩとする。そして、照射面５１３における探信波５１２の単位面積あたりの強度Ｐiは、式［数１］で表される。
【００４１】
【数１】
【００４２】
したがって、探信波５１２を受けた標的６００からの反射波を受信する送受波部２００における受信強度Ｐｒpは、式［数２］で表される。ここで、送受波部２００と標的６００との標的相対距離を、Ｒpとする。また、標的６００の反射断面積をσpとする。また、送受波部２００の受信有効面積をＡｒとする。また、円周率をπとする。
【００４３】
【数２】
【００４４】
また、反射断面積σpは、式［数３］で表される。そして、反射断面積算出部１１２は、式［数３］を用いることで標的６００の反射断面積σpを算出し、この反射断面積（σp）データを、制御部１０２に出力する。
【００４５】
【数３】
【００４６】
制御部１０２には、探査方向指定データと、探査距離指定データと、探査立体角指定データと、標的像指定データと、設定反射断面積データとが、操作部１０１から入力される。また、制御部１０２には、今回探査した標的毎の、反射断面積データが、反射断面積算出部１１２から入力される。また、制御部１０２には、今回探査した標的毎の、探査方向データと、探査距離データとが、探査パラメータ算出部１０７から入力される。また、制御部１０２には、今回探査した標的毎の、予測相対位置データと、予測標的像データとが、標的位置予測部１０８から入力される。また、制御部１０２には、送受波部２００の実際の駆動状態を示す駆動データが、送受波部２００から入力される。
【００４７】
ここで、駆動データには、探信波の立体角データと、探信波の送信方向データと、探信波の送信強度データとが含まれる。制御部１０２は、これらの駆動データを、表示変換部１０５に出力する。これにより、ソナー装置１００は、送受波部２００の実際の駆動状態を、表示変換部１０５の表示によりユーザに通知することができる。
【００４８】
また、制御部１０２は、標的像を探査した際に取得した送信強度データと、送受波部２００の受波有効面積データとを、反射断面積算出部１１２に出力する。ここで、受波有効面積データとは、送受波部２００の構造により定まる固有の値であり、探信波を受波する有効面積を示すデータである。例えば、受波有効面積データは、ユーザの操作に基づいて、操作部１０１を介して手動設定される。また、受波有効面積データは、送受波部２００の駆動に関わるデータに基づいて、制御部１０２等により自動設定されてもよい。
【００４９】
制御部１０２には、標的追尾指示と標的量算出指示が、操作部１０１から入力される。標的追尾指示が入力されていない場合、制御部１０２は、探査方向指定データと、探査距離指定データと、探査立体角指定データと、設定反射断面積データとを、送受波制御部１０３に出力する。また、制御部１０２は、標的像指定データを抽出領域設定部１０９に出力する。
【００５０】
一方、標的追尾指示が入力され且つ標的像指定データの設定数が１つである場合、制御部１０２は、指定された標的像の探査結果に基づく探査方向指定データと、探査距離指定データと、探査立体角指定データと、設定反射断面積データとを、送受波制御部１０３に出力して、探査を開始する。また、標的像指定データの設定数が複数である場合、制御部１０２は、指定標的像を探査する順序（探査順序）を定めて、その順に指定標的像を探査する（１巡目）。
【００５１】
そして、探査の２巡目以降、制御部１０２は、探査方向指定データと、探査距離指定データと、探査立体角指定データと、設定反射断面積データとの代わりに、同じ標的における前回の探査結果に基づく、探査方向データと、探査距離データと、反射断面積データとを、送受波制御部１０３に出力する。また、制御部１０２は、標的追尾指示を、送受波制御部１０３に出力する。また、制御部１０２は、標的像指定データの代わりに、同じ標的における前回の探査結果に基づく、予測相対位置データと、予測標的像データとを抽出領域設定部１０９に出力する。
【００５２】
制御部１０２は、これらの動作を繰り返す。また、制御部１０２は、１巡目及び２巡目以降のいずれの場合も、標的像指定データの設定数に基づく標的探査間隔データを、標的位置予測部１０８に出力する。そして、標的量算出指示が入力された場合、制御部１０２は、標的量算出指示と標的量平均数とを、標的量算出部１０６に出力する。
【００５３】
送受波制御部１０３には、標的追尾指示が、制御部１０２から入力される。また、標的追尾指示が入力されていない場合、及び、標的追尾指示が入力され且つ標的追尾の一巡目の探査の場合、送受波制御部１０３には、探査方向指定データと、探査距離指定データと、探査立体角指定データと、設定反射断面積データとが入力される。送受波制御部１０３は、探査方向指定データと、探査立体角指定データとに基づき、送信方向データと、送信立体角データとを定め、探査距離指定データに基づく間隔で、これらを送受波部２００に出力する。
【００５４】
そして、標的追尾指示が入力され且つ標的追尾の２巡目以降の探査の場合、送受波制御部１０３には、探査方向データと、探査距離データと、反射断面積データとが入力される。送受波制御部１０３は、探査距離データと反射断面積データとに基づいて算出した送受波部２００の送信立体角と、探査方向データとを、探査距離データに基づく間隔で、送受波部２００に出力する。
【００５５】
送受波制御部１０３は、探査距離データと反射断面積データに基づいて、探信波５０２（図２を参照）の送波立体角データを算出する。ここでは、探査距離５０４をＲｍとする。また、受信強度の最小感度を示す閾値をＰｒｍｉｎとする。また、探信波５０２の送波立体角Ωｍは、式［数３］により算出された反射断面積（σp）に基づいて、式［数４］を満たすように定められる。
【００５６】
【数４】
【００５７】
ここで、閾値Ｐｒｍｉｎは、例えば、送受波部２００の構造等によって定まる。仮に、式［数４］が満たされない場合、反射波の強度が弱すぎるため、標的６００は、検出されない。したがって、式［数４］が成り立つようにすれば、反射波の強度は充分となり、ソナー装置１００は、標的６００を検出することができる。
【００５８】
式［数４］が成り立つように送波立体角Ωｍが定められることで、送受波部２００は、最大送信立体角で探査する場合の探査距離を超えた探査距離にある標的６００に対して、検出に十分な反射強度を得る。そして、検出に十分な反射強度が得られるので、送受波制御部１０３は、その探査距離を長くすることができる。
【００５９】
また、この場合、送受波制御部１０３は、送受波部２００の送信立体角を必要以上に絞らないことにより、標的６００を含むより広い範囲を捉えるので、標的６００の全体を良く捉えることが可能となる。そして、送受波制御部１０３は、探査結果に基づいて算出した標的６００の反射断面積を、次回の探査パラメータの算出に使用して標的６００を追尾することにより、探査パラメータをより精度良く最適化する。
【００６０】
さらに、送受波制御部１０３は、追尾の精度をより向上させて、同じ標的６００について複数の標的量を得ることで、受波の際に生じる波面合成に伴う大きな揺らぎなどを緩和し、標的６００を捉える精度を向上させることができる。
【００６１】
抽出領域設定部１０９には、標的像指定データと、予測相対位置データとが入力される。抽出領域設定部１０９は、ユーザが指定した標的像指定データに基づいて、抽出領域データを標的像抽出部１１０に出力する。また、抽出領域設定部１０９は、予測相対位置データに基づいて標的６００を追尾するように、抽出領域データを更新して出力する。
【００６２】
表示変換部１０５には、ボリュームデータと、立体角データと、送信方向データと、送信強度データと、平均標的量データと、標的の時間経過に応じた複数の絶対位置データと、標的像のボリュームデータとが入力される。表示変換部１０５は、これらのデータを、例えば、図２に示すような画像データに変換して、表示部３００に出力する。表示部３００は、例えば、液晶表示パネルであって、表示変換部１０５から画像データが入力される。そして、表示部３００は、例えば、図２に示すような画像を表示する。
【００６３】
次に、本実施の一形態によるソナー装置の動作について説明する。
図３には、本実施の一形態によるソナー装置の動作が、フローチャートで示されている。制御部１０２は、このフローチャートに示された処理を、所定の周期で実行する。制御部１０２には、データ及びユーザの指示が、操作部１０１を介して入力される（ステップＳ１）。
【００６４】
操作部１０１から終了指示が入力されている場合（ステップＳ２−ＹＥＳ）、制御部１０２は、処理を終了する（ステップＳ２）。一方、操作部１０１から終了指示が入力されていない場合（ステップＳ２−ＮＯ）、制御部１０２は、操作部１０１からの入力に標的追尾指示があるか否かを、判定する（ステップＳ３）。
【００６５】
操作部１０１から標的追尾指示が入力されていない場合（ステップＳ３−ＮＯ）、制御部１０２は、探査方向指定データと、探査距離指定データと、探査立体角指定データと、設定反射断面積データとを、送受波制御部１０３に出力する。これにより、送受波制御部１０３は、探査方向指定データと、探査立体角指定データと、設定反射断面積データとに基づき、送信方向データと、送信立体角データとを定める。さらに、送受波制御部１０３は、探査距離指定データに基づく間隔で、これらを送受波部２００に出力し、探信波を送信させる（ステップＳ１１）。
【００６６】
一方、操作部１０１から標的追尾指示が入力されている場合（ステップＳ３−ＹＥＳ）、制御部１０２は、標的指定データが１つであって、かつ追尾開始後初めての探査か否か、を判定する。さらに、制御部１０２は、追尾開始後の１巡目の探査か否か、を判定する（ステップＳ４）。
【００６７】
標的指定データが１つであって、かつ追尾開始後初めての探査である場合、又は標的指定データが１つ以上であって、かつ追尾開始後の１巡目の探査である場合（ステップＳ４−ＹＥＳ）、制御部１０２は、標的追尾指示と共に操作部１０１から入力された標的像指定データを、抽出領域設定部１０９に出力する。これにより、抽出領域設定部１０９は、標的像指定データに基づいて抽出領域を決定し、抽出領域データを標的像抽出部１１０に出力する。そして、標的像抽出部１１０は、抽出領域データに基づき、追尾対象とする標的像を抽出する（ステップＳ５）。
【００６８】
制御部１０２は、探査方向指定データと、探査距離指定データと、探査立体角指定データと、設定反射断面積データとを、送受波制御部１０３に出力する。これにより、送受波制御部１０３は、探査方向指定データと、探査立体角指定データと、設定反射断面積データとに基づき、送信方向データと、送信立体角データとを定める。そして、送受波制御部１０３は、探査距離指定データに基づく間隔で、これらを送受波部２００に出力し、探信波を送信させる（ステップＳ６）。さらに、送受波制御部１０３は、ステップＳ１０を実行する。
【００６９】
一方、追尾開始後の１巡目の探査でない場合等（ステップＳ４−ＮＯ）、制御部１０２は、前回の標的探査間隔データを、標的位置予測部１０８に出力する。これにより、標的位置予測部１０８は、標的像ボリュームデータと、絶対位置データと、標的探査間隔データとに基づいて、予測標的像データと、予測相対位置データとを予測して、制御部１０２と、探査パラメータ算出部１０７とに出力する。また、探査パラメータ算出部１０７は、予測標的像データと、予測相対位置データとに基づき、探査方向データと探査距離データを出力する（ステップＳ７）。
【００７０】
そして、制御部１０２は、標的位置予測部１０８から入力された、予測標的像データと、予測相対位置データとを、抽出領域設定部１０９に出力する。これにより、抽出領域設定部１０９は、予測標的像データと、予測相対位置データとに基づいて抽出領域を決定し、抽出領域データを標的像抽出部１１０に出力する。さらに、標的像抽出部１１０は、抽出領域データに基づき、追尾対象とする標的像を抽出する（ステップＳ８）。
【００７１】
また、制御部１０２は、標的追尾指示データと、探査方向データと、探査距離データとを、送受波制御部１０３に出力する。さらに、制御部１０２は、設定反射断面積データの代わりとなる反射断面積データを、送受波制御部１０３に出力する。これにより、送受波制御部１０３は、探査方向データと、探査距離指定データと、反射断面積データとに基づき、送信方向データと、送信立体角データとを定める。そして、送受波制御部１０３は、探査距離データに基づく間隔で、これらを送受波部２００に出力し、探信波を送信させる（ステップＳ９）。
【００７２】
さらに、制御部１０２は、送信強度データと、受波有効面積データとを、反射断面積算出部１１２に出力する。これにより、反射断面積算出部１１２は、標的像抽出部１１０から入力された標的像データ及び標的相対位置データに基づいて、反射断面積を算出する（ステップＳ１０）。そして、制御部１０２は、ステップＳ１２を実行する。
【００７３】
また、制御部１０２は、操作部１０１から標的量算出指示が入力されているか否か、を判定する（ステップＳ１２）。標的量算出指示が入力されていない場合（ステップＳ１２−ＮＯ）、制御部１０２は、ステップＳ１に戻る。一方、標的量算出指示が入力されている場合（ステップＳ１２−ＹＥＳ）、制御部１０２は、標的像データと、標的量平均数データとを、標的量算出部１０６に出力する。これにより、標的量算出部１０６は、標的像抽出部１１０から入力された標的像データ及び標的相対位置データに基づいて、標的量を算出する（ステップＳ１３）。そして、制御部１０２は、ステップＳ１に戻る。
【００７４】
以上のように、ソナー装置１００（３次元探査装置）は、設定された探査距離と、送受波部が検出可能な反射波の最小値と、によって定まる値を超えないように、探信波の立体角を制御する。これにより、ソナー装置１００（３次元探査装置）は、スキャニングソナーと同等の送信強度で探信波を送信しても、遠方の標的の位置及び量（魚量等）を、精度よく算出することができる。
【００７５】
以上、この発明の実施形態について図面を参照して詳述してきたが、具体的な構成はこの実施形態に限られるものではなく、この発明の要旨を逸脱しない範囲の設計等も含まれる。
【００７６】
例えば、探信波は、前述の音波のほか、電磁波であってもよい。
【００７７】
また、例えば、ソナー装置１００（３次元探査装置）は、探査パラメータ算出部１０７において、予測標的像を全て含む探査立体角を算出してもよい。そして、ソナー装置１００（３次元探査装置）は、送受波制御部１０３において算出された探査距離及び探査立体角によって定まる値以上となるように、送受波部２００が標的６００に送信する次回の探信波の送信強度を定めても良い。
【００７８】
ここで、式［数４］よりＰｔを導き、右辺の探査立体角Ωを標的の探査結果より求めた探査立体角（Ωｍ）に置き換えると、式［数５］となる。したがって、送受波部２００における送信強度として、式［数５］で算出されるＰｔが最大送信強度より小さい範囲でＰｔを選択すれば、この範囲において、ソナー装置１００（３次元探査装置）は、送信電力を節約できる。
【００７９】
【数５】
【００８０】
また、図３に示す各ステップを実現するためのプログラムをコンピュータ読み取り可能な記録媒体に記録して、この記録媒体に記録されたプログラムをコンピュータシステムに読み込ませ、実行することにより、実行処理を行ってもよい。なお、ここでいう「コンピュータシステム」とは、ＯＳ（Ｏｐｅｒａｔｉｎｇ Ｓｙｓｔｅｍ）や周辺機器等のハードウェアを含むものであってもよい。
【００８１】
また、「コンピュータ読み取り可能な記録媒体」とは、フレキシブルディスク、光磁気ディスク、ＲＯＭ、フラッシュメモリ等の書き込み可能な不揮発性メモリ、ＣＤ−ＲＯＭ等の可搬媒体、コンピュータシステムに内蔵されるハードディスク等の記憶装置のことをいう。
【００８２】
さらに「コンピュータ読み取り可能な記録媒体」とは、インターネット等のネットワークや電話回線等の通信回線を介してプログラムが送信された場合のサーバやクライアントとなるコンピュータシステム内部の揮発性メモリ（例えばＤＲＡＭ（Ｄｙｎａｍｉｃ Ｒａｎｄｏｍ Ａｃｃｅｓｓ Ｍｅｍｏｒｙ））のように、一定時間プログラムを保持しているものも含むものとする。
また、上記プログラムは、このプログラムを記憶装置等に格納したコンピュータシステムから、伝送媒体を介して、あるいは、伝送媒体中の伝送波により他のコンピュータシステムに伝送されてもよい。ここで、プログラムを伝送する「伝送媒体」は、インターネット等のネットワーク（通信網）や電話回線等の通信回線（通信線）のように情報を伝送する機能を有する媒体のことをいう。
また、上記プログラムは、前述した機能の一部を実現するためのものであっても良い。
さらに、前述した機能をコンピュータシステムにすでに記録されているプログラムとの組み合わせで実現できるもの、いわゆる差分ファイル（差分プログラム）であっても良い。
【符号の説明】
【００８３】
１００…標的像追尾装置 １０１…操作部 １０２…制御部 １０３…送受波制御部 １０４…ボリュームデータ変換部 １０５…表示変換部 １０６…標的量算出部 １０７…探査パラメータ算出部 １０８…標的位置予測部 １０９…抽出領域設定部 １１０…標的像抽出部 １１１…標的位置算出部 １１２…反射断面積算出部 ２００…送受波部 ３００…表示部 ４００…自位置検出部 ５００…最大立体角で送信された探信波により形成される錐体の錐面 ５０１…最大強度で送信された探信波の照射面の縁の探査距離に応じた軌跡 ５０２…探信波 ５０３…送受波部２００から探査距離５０４だけ離れた探信波５０２の照射面 ５０４…探査距離 ５１２…探信波 ５１３…送受波部２００から標的相対距離５１４だけ離れた探信波５１２の照射面 ５１４…標的相対距離 ６００…標的
【技術分野】
【０００１】
本発明は、魚群等を追尾する３次元探査装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
海洋調査や漁場での操業において、ソナー装置に代表される３次元探査装置により、魚群の魚量を精度よく算出することが求められている。水中の魚群の位置、移動方向、及び速度等を正確に捉えるために、３次元探査装置は、広い立体角の探信波（音波）を送受波部（トランスデューサ）から送信する。そして、非特許文献１に開示されたマルチビーム計量科学魚探システム（３次元探査装置）は、探信波により１回で探査される探査範囲に分布する魚群から、反射波（エコー）を受信して、その魚群の位置や３次元の分布等を算出する。
【０００３】
また、特許文献１には、面状の探信波（音波）の送受信方向の俯角を制御しながら、魚群を追尾することを試みたスキャニングソナー（３次元探査装置）が開示されている。また、特許文献２には、探査毎の反射波（エコー）の２次元強度分布を、所定の３次元方向に積分することで、３次元に分布する魚群の魚量を精度よく算出することを試みたスキャニングソナー（３次元探査装置）が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００７−３２７８５５号公報
【特許文献２】特開２００６−１０５７０１号公報
【非特許文献】
【０００５】
【非特許文献１】“マルチビーム計量科学魚探システム ＭＥ７０””、［online］、日本海洋株式会社、［平成２２年２月２２日検索］、インターネット＜URL：http://www.nipponkaiyo.co.jp/measuring/item.php?cid=1&id=30&itid=82＞
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
ところで、水中を俊敏で複雑に３次元移動する魚群を、船底に取り付けられたトランスデューサで捕捉し続けるには、探査範囲を広くする必要がある。このため、３次元探査装置は、トランスデューサから送信する探信波の立体角（以下、「探信波立体角」と称する）を、広くしておく必要があった。しかしながら、探信波立体角を広くすると、スキャニングソナーと同等の探信波の送信強度では、単位立体角あたりの探信波の送信強度が小さくなってしまい、探査距離（探査レンジ）が短くなってしまう、という問題があった。
【０００７】
一方、スキャニングソナーは、厚み方向の角度が送受波器で形成可能なビーム幅のうち最も狭いビーム幅程度であり、かつ厚み方向に直交する方向にはビーム幅が広い面状ビームにより、等価的に立体角が狭い探信波（音波）を、３次元に分布している魚群に対して送信する。これにより、スキャニングソナーは、魚群の２次元断面の反射波（エコー）強度分布を得ている。そして、２次元断面のエコー強度分布に基づく、標的像の寸法と形状の情報では、３次元に分布している魚群を精度よく算出するには情報量が不足してしまい、魚群の位置や量等を精度よく算出することができない、という問題があった。
【０００８】
さらに、スキャニングソナーは、俊敏で複雑な魚群の運動に対し、数秒間隔の探査（サンプリング）を実行するため、これらの探査結果を積算しても、その間の魚群の運動や自船の移動により魚群の正確な分布を捉えることができず、魚群の位置や魚量を算出する精度が劣化する、という問題があった。
【０００９】
本発明は前記の諸点に鑑みてなされたものであり、スキャニングソナーと同等の送信強度で探信波を送信しても、遠方の標的の位置及び量（魚量等）を、精度よく算出することができる３次元探査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】
【００１０】
本発明は、上記の課題を解決するためになされたものであり、探信波を送信して当該探信波の反射波を受信する送受波部から当該反射波の強度に応じた信号を取得し、前記探信波により探査される探査範囲における強度分布を含むボリュームデータを生成する３次元探査装置において、設定された探査距離と、前記送受波部が検出可能な前記反射波の最小値と、によって定まる値を超えないように、前記送受波部が送信する前記探信波の立体角を制御する送受波制御部を備えることを特徴とする３次元探査装置である。
【００１１】
また、本発明は、前記強度分布に基づいて、前記ボリュームデータから標的像を抽出し、当該標的像の前記送受波部に対する位置である標的相対位置を算出する標的像抽出部と、前記標的像と、前記標的相対位置と、前記標的像を探査した際の送信強度及び送信立体角と、前記送受波部の受波有効面積と、に基づいて、前記標的の反射断面積を算出する反射断面積算出部と、を備えることを特徴とする３次元探査装置である。
【００１２】
また、本発明は、前記送受波部の絶対位置データを取得し、該絶対位置データと、前記算出された標的相対位置と、に基づいて、前記標的の絶対位置を算出する標的位置算出部と、前記抽出された標的像と、前記算出された絶対位置と、に基づいて、前記標的の次回の探査における前記送受波部に対する予測相対位置及び予測標的像を予測する標的位置予測部と、前記算出された予測相対位置及び予測標的像に基づいて、前記予測相対位置、前記予測標的像の前記強度分布の中心、前記強度分布の重心、又は前記予測標的像の強度分布が最も強い領域に向けて、前記探信波を送信する探査方向を算出する探査パラメータ算出部と、を備え、前記送受波制御部において、前記算出された探査方向に基づき、前記送受波部が前記標的に送信する次回の前記探信波の送信方向を制御して標的を追尾することを特徴とする３次元探査装置である。
【００１３】
また、本発明は、指定された複数の標的を所定順に探査し、２巡目以降、同じ標的の前回の探査結果に基づいて、探査パラメータを設定して探査することを繰り返して、複数の標的を追尾する制御部を備えることを特徴とする３次元探査装置である。
【００１４】
また、本発明は、前記標的像の前記強度分布の総和に基づく標的量を算出し、さらに同じ標的を複数探査して複数の前記標的量を得て、当該総和に基づく標的量と複数の前記標的量との変動を緩和した量を算出する標的量算出部を備えることを特徴とする３次元探査装置である。
【発明の効果】
【００１５】
本発明によれば、３次元探査装置は、設定された探査距離と、送受波部が検出可能な反射波の最小値とによって定まる値を超えないように、探信波の立体角を制御する。これにより、３次元探査装置は、スキャニングソナーと同等の送信強度で探信波を送信しても、最大の立体角で探査した場合の探査距離より遠方の標的の位置及び量（魚量等）を、精度よく算出することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】本実施の一形態によるソナー装置（３次元探査装置）のブロック図である。
【図２】探信波による探査範囲を説明する図である。
【図３】本実施の一形態によるソナー装置の動作を示すフローチャートである。
【図４】探信波の単位面積当たりの強度を説明する図である。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
次に、本発明の実施の形態について図面を参照して詳細に説明する。図１は、本実施の一形態によるソナー装置（３次元探査装置）のブロック図である。ソナー装置１００は、操作部１０１と、制御部１０２と、送受波制御部１０３と、ボリュームデータ変換部１０４と、表示変換部１０５と、標的量算出部１０６と、探査パラメータ算出部１０７と、標的位置予測部１０８と、抽出領域設定部１０９と、標的像抽出部１１０と、標的位置算出部１１１と、反射断面積算出部１１２とを備える。また、標的像追尾装置１００は、送受波部（送受波器）２００と、表示部３００と、自位置検出部４００とに接続される。
【００１８】
操作部１０１は、例えば、トラックボール、スティックレバー、マウス、タッチパネル、スイッチ等であって、探信波である音波により探査される探査範囲を指定するデータの入力を受け付ける。ここで、探査範囲を指定するデータとは、探査方向指定データと、探査距離指定データと、探査立体角指定データと、前回の探査で表示された標的像を指定する標的像指定データとである。
【００１９】
標的像指定データは、例えば、その指定位置が点として、又は矩形状の枠として、表示部３００に表示されてもよい。また、標的像指定データは、抽出領域としてユーザが任意の１点を指定したデータであっても良いし、抽出領域としてユーザが２点以上を指定した寸法を示すデータであってもよい。
【００２０】
操作部１０１は、処理を指示する処理指示操作の入力を検出する。操作部１０１は、処理指示操作の入力を検出した場合、その処理指示を制御部１０２に出力する。ここで、処理指示には、指定の標的像を追尾するか否かを指示する標的追尾指示と、指定の標的像の量を算出するか否かを指示する標的量算出指示とがある。
【００２１】
操作部１０１は、設定反射断面積データの入力を検出する。ここで、設定反射断面積データとは、標的の反射断面積を示すデータのユーザ設定値である。そして、操作部１０１は、設定反射断面積データを制御部１０２に出力する。
【００２２】
送受波部２００は、例えば、トランスデューサやセンサであって、ソナー装置１００等を搭載した船舶（不図示）の船底に取り付けられている。そして、送受波部２００には、探信波の立体角データと、探信波の送信方向データとが、送受波制御部１０３から入力される。
【００２３】
送受波部２００は、これらのデータに基づいて、探信波（音波）を送波し、魚群などの標的（図２の標的６００）からの反射波を受波する。そして、送受波部２００は、反射波に必要に応じてゲイン補正等を施して、その反射波の強度に応じた信号を、ボリュームデータ変換部１０４に出力する。さらに、送受波部２００は、送受波部２００の実際の駆動状態を示す駆動データを、制御部１０２へ出力する。なお、探信波の送信方向は、鉛直方向に限らなくてもよい。
【００２４】
図２には、鉛直方向に送信した探信波による探査範囲が示されている。図２において、最大立体角で送信された探信波により形成される錐体の錐面５００と、最大強度で送信された探信波５０２の照射面５０３の縁の探査距離５０４に応じた軌跡５０１と、によって囲まれる内部空間が、ソナー装置１００の探査可能範囲である。ここで、最大立体角は、例えば、送受波部２００の構造等によって定まる。
【００２５】
また、探査範囲は、探査可能範囲に含まれる空間であって、探信波５０２が通過する範囲となる。そして、ソナー装置１００は、探信波５０２で標的６００の全体を捉え、標的６００からの反射波の強度に応じた信号を集積（積算）することで、標的６００の量（例えば、魚量）を算出する。
【００２６】
図１に戻り説明を続ける。ボリュームデータ変換部１０４には、反射波の強度に応じた信号が送受波部２００から入力される。ボリュームデータ変換部１０４は、Ａ／Ｄ変換することで、反射波の強度に応じた信号を、探査範囲のボリュームデータに変換する。すなわち、ボリュームデータとは、反射波の強度に応じた信号がＡ／Ｄ変換されて、探査距離ごとに内部メモリ等（不図示）に集積されたデータである。
【００２７】
そして、ボリュームデータ変換部１０４は、このように生成したボリュームデータを、標的像抽出部１１０と表示変換部１０５とに出力する。なお、ボリュームデータの座標表現には、例えば、直交する３次元方向の距離、半径、又は角度を用いた座標表現が用いられてもよい。また、ボリュームデータには、必要に応じて雑音除去のためのフィルタ処理が施されてもよい。
【００２８】
標的像抽出部１１０には、抽出領域設定部１０９が設定した抽出領域データと、ボリュームデータとが入力される。ここで、抽出領域とは、ボリュームデータ全体に対応する領域に含まれる領域であって、ソナー装置１００が反射波の強度分布から標的像を抽出するための計算処理を実行する対象となる領域である。
【００２９】
そして、標的像抽出部１１０は、反射波の強度に基づいて、抽出領域に含まれた標的像を、ボリュームデータから抽出する。また、標的像抽出部１１０は、抽出された標的像のボリュームデータを、標的量算出部１０６と、標的位置予測部１０８と、反射断面積算出部１１２とに出力する。さらに、標的像抽出部１１０は、送受波部２００に対する標的６００（図２を参照）の相対位置である標的相対位置データを、標的位置算出部１１１と、反射断面積算出部１１２とに出力する。
【００３０】
標的量算出部１０６には、標的量算出指示と、標的量平均数と、標的像のボリュームデータとが入力される。そして、標的量算出部１０６は、制御部１０２の標的量算出指示に応じて、ボリュームデータに含まれる標的６００に対応する各座標の反射波の強度に応じた信号を、足し合わせる（集積する）。
【００３１】
さらに、標的量算出部１０６は、標的６００における総和（集積結果）を、標的量データとして算出する。また、標的量算出部１０６は、標的量データを標的量平均数だけ平均した時間平均値を算出して、平均標的量データとして記憶する。そして、標的量算出部１０６は、平均標的量データを表示変換部１０５に出力する。
【００３２】
自位置検出部４００は、例えば、ジャイロ装置や、ＧＰＳ（Ｇｌｏｂａｌ Ｐｏｓｉｔｉｏｎｉｎｇ Ｓｙｓｔｅｍ）などの衛星測位装置により構成される。そして、自位置検出部４００は、ソナー装置１００の送受波部２００の絶対位置データ（例えば、緯度データ、経度データ、対地位置、及び対潮流位置等）を、標的位置算出部１１１に出力する。
【００３３】
標的位置算出部１１１には、標的相対位置データと、送受波部２００の絶対位置データとが入力される。標的位置算出部１１１は、これらのデータに基づいて標的像の絶対位置を算出し、標的像の絶対位置を標的位置予測部１０８と表示変換部１０５とに出力する。
【００３４】
標的位置予測部１０８には、標的像の絶対位置データと、標的像のボリュームデータと、標的探査間隔データとが入力される。標的位置予測部１０８は、標的探査間隔データが示す時間後における標的６００の位置及び分布を、複数の絶対位置データと、標的像のボリュームデータとに基づいて予測する。
【００３５】
ここで、絶対位置データは、同一の標的像の絶対位置を、その標的毎に時間経過に応じて保持したデータである。そして、標的位置予測部１０８は、この予測位置と送受波部２００との相対位置（図２参照）を算出して、予測相対位置データと予測標的像データとを、探査パラメータ算出部１０７と、制御部１０２とに出力する。
【００３６】
そして、標的位置予測部１０８は、標的６００の絶対位置と標的像を記憶する。さらに、標的位置予測部１０８は、標的６００の過去の絶対位置及び標的像、並びにその絶対位置に標的６００が位置していた時刻等に基づいて、次回の探査における標的６００の絶対位置と標的像（予測標的像）を予測する。そして、標的位置予測部１０８は、予測した標的６００の絶対位置に基づいて、標的６００と送受波部２００との相対位置（予測相対位置）を算出する。例えば、標的位置予測部１０８は、標的６００の過去の絶対位置同士をベクトルで結び、そのベクトルを延長することで、標的６００と送受波部２００との相対位置を予測（算出）してもよい。
【００３７】
探査パラメータ算出部１０７には、予測相対位置データと予測標的像データとが入力される。探査パラメータ算出部１０７は、予測相対位置データに基づいて、予測相対位置、予測標的像の強度分布の中心、予測標的像の強度分布の重心、又は予測標的像の強度分布が最も強い領域に向けて、探信波を送信する探査方向を算出する。
【００３８】
さらに、探査パラメータ算出部１０７は、予測相対位置データに基づいて、予測標的像を全て含む探査距離を算出し、探査方向データと探査距離データとを、制御部１０２に出力する。
【００３９】
反射断面積算出部１１２には、標的像のボリュームデータと、標的相対位置データと、標的像を探査した時の送信強度データと、送受波部２００の受波有効面積データとが入力される。反射断面積算出部１１２は、標的像のボリュームデータから算出した強度分布の総和と、標的相対位置データにおける送受波部２００から標的６００までの距離である標的相対距離と、送信強度データと、受波有効面積データとに基づいて、後述する式［数３］に基づいて、標的６００の反射断面積σpを算出する。
【００４０】
図４には、探信波の単位面積当たりの強度を説明する図が示されている。送受波部２００が探信波５１２を送信すると、その探信波５１２の照射面５１３が形成される。ここで、送受波部２００から照射面５１３までの標的相対距離５１４を、Ｒとする。また、照射面５１３の面積を、Sとする。また、送受波部２００における送信強度を、Ｐｔとする。また、探信波５１２の立体角をΩとする。そして、照射面５１３における探信波５１２の単位面積あたりの強度Ｐiは、式［数１］で表される。
【００４１】
【数１】
【００４２】
したがって、探信波５１２を受けた標的６００からの反射波を受信する送受波部２００における受信強度Ｐｒpは、式［数２］で表される。ここで、送受波部２００と標的６００との標的相対距離を、Ｒpとする。また、標的６００の反射断面積をσpとする。また、送受波部２００の受信有効面積をＡｒとする。また、円周率をπとする。
【００４３】
【数２】
【００４４】
また、反射断面積σpは、式［数３］で表される。そして、反射断面積算出部１１２は、式［数３］を用いることで標的６００の反射断面積σpを算出し、この反射断面積（σp）データを、制御部１０２に出力する。
【００４５】
【数３】
【００４６】
制御部１０２には、探査方向指定データと、探査距離指定データと、探査立体角指定データと、標的像指定データと、設定反射断面積データとが、操作部１０１から入力される。また、制御部１０２には、今回探査した標的毎の、反射断面積データが、反射断面積算出部１１２から入力される。また、制御部１０２には、今回探査した標的毎の、探査方向データと、探査距離データとが、探査パラメータ算出部１０７から入力される。また、制御部１０２には、今回探査した標的毎の、予測相対位置データと、予測標的像データとが、標的位置予測部１０８から入力される。また、制御部１０２には、送受波部２００の実際の駆動状態を示す駆動データが、送受波部２００から入力される。
【００４７】
ここで、駆動データには、探信波の立体角データと、探信波の送信方向データと、探信波の送信強度データとが含まれる。制御部１０２は、これらの駆動データを、表示変換部１０５に出力する。これにより、ソナー装置１００は、送受波部２００の実際の駆動状態を、表示変換部１０５の表示によりユーザに通知することができる。
【００４８】
また、制御部１０２は、標的像を探査した際に取得した送信強度データと、送受波部２００の受波有効面積データとを、反射断面積算出部１１２に出力する。ここで、受波有効面積データとは、送受波部２００の構造により定まる固有の値であり、探信波を受波する有効面積を示すデータである。例えば、受波有効面積データは、ユーザの操作に基づいて、操作部１０１を介して手動設定される。また、受波有効面積データは、送受波部２００の駆動に関わるデータに基づいて、制御部１０２等により自動設定されてもよい。
【００４９】
制御部１０２には、標的追尾指示と標的量算出指示が、操作部１０１から入力される。標的追尾指示が入力されていない場合、制御部１０２は、探査方向指定データと、探査距離指定データと、探査立体角指定データと、設定反射断面積データとを、送受波制御部１０３に出力する。また、制御部１０２は、標的像指定データを抽出領域設定部１０９に出力する。
【００５０】
一方、標的追尾指示が入力され且つ標的像指定データの設定数が１つである場合、制御部１０２は、指定された標的像の探査結果に基づく探査方向指定データと、探査距離指定データと、探査立体角指定データと、設定反射断面積データとを、送受波制御部１０３に出力して、探査を開始する。また、標的像指定データの設定数が複数である場合、制御部１０２は、指定標的像を探査する順序（探査順序）を定めて、その順に指定標的像を探査する（１巡目）。
【００５１】
そして、探査の２巡目以降、制御部１０２は、探査方向指定データと、探査距離指定データと、探査立体角指定データと、設定反射断面積データとの代わりに、同じ標的における前回の探査結果に基づく、探査方向データと、探査距離データと、反射断面積データとを、送受波制御部１０３に出力する。また、制御部１０２は、標的追尾指示を、送受波制御部１０３に出力する。また、制御部１０２は、標的像指定データの代わりに、同じ標的における前回の探査結果に基づく、予測相対位置データと、予測標的像データとを抽出領域設定部１０９に出力する。
【００５２】
制御部１０２は、これらの動作を繰り返す。また、制御部１０２は、１巡目及び２巡目以降のいずれの場合も、標的像指定データの設定数に基づく標的探査間隔データを、標的位置予測部１０８に出力する。そして、標的量算出指示が入力された場合、制御部１０２は、標的量算出指示と標的量平均数とを、標的量算出部１０６に出力する。
【００５３】
送受波制御部１０３には、標的追尾指示が、制御部１０２から入力される。また、標的追尾指示が入力されていない場合、及び、標的追尾指示が入力され且つ標的追尾の一巡目の探査の場合、送受波制御部１０３には、探査方向指定データと、探査距離指定データと、探査立体角指定データと、設定反射断面積データとが入力される。送受波制御部１０３は、探査方向指定データと、探査立体角指定データとに基づき、送信方向データと、送信立体角データとを定め、探査距離指定データに基づく間隔で、これらを送受波部２００に出力する。
【００５４】
そして、標的追尾指示が入力され且つ標的追尾の２巡目以降の探査の場合、送受波制御部１０３には、探査方向データと、探査距離データと、反射断面積データとが入力される。送受波制御部１０３は、探査距離データと反射断面積データとに基づいて算出した送受波部２００の送信立体角と、探査方向データとを、探査距離データに基づく間隔で、送受波部２００に出力する。
【００５５】
送受波制御部１０３は、探査距離データと反射断面積データに基づいて、探信波５０２（図２を参照）の送波立体角データを算出する。ここでは、探査距離５０４をＲｍとする。また、受信強度の最小感度を示す閾値をＰｒｍｉｎとする。また、探信波５０２の送波立体角Ωｍは、式［数３］により算出された反射断面積（σp）に基づいて、式［数４］を満たすように定められる。
【００５６】
【数４】
【００５７】
ここで、閾値Ｐｒｍｉｎは、例えば、送受波部２００の構造等によって定まる。仮に、式［数４］が満たされない場合、反射波の強度が弱すぎるため、標的６００は、検出されない。したがって、式［数４］が成り立つようにすれば、反射波の強度は充分となり、ソナー装置１００は、標的６００を検出することができる。
【００５８】
式［数４］が成り立つように送波立体角Ωｍが定められることで、送受波部２００は、最大送信立体角で探査する場合の探査距離を超えた探査距離にある標的６００に対して、検出に十分な反射強度を得る。そして、検出に十分な反射強度が得られるので、送受波制御部１０３は、その探査距離を長くすることができる。
【００５９】
また、この場合、送受波制御部１０３は、送受波部２００の送信立体角を必要以上に絞らないことにより、標的６００を含むより広い範囲を捉えるので、標的６００の全体を良く捉えることが可能となる。そして、送受波制御部１０３は、探査結果に基づいて算出した標的６００の反射断面積を、次回の探査パラメータの算出に使用して標的６００を追尾することにより、探査パラメータをより精度良く最適化する。
【００６０】
さらに、送受波制御部１０３は、追尾の精度をより向上させて、同じ標的６００について複数の標的量を得ることで、受波の際に生じる波面合成に伴う大きな揺らぎなどを緩和し、標的６００を捉える精度を向上させることができる。
【００６１】
抽出領域設定部１０９には、標的像指定データと、予測相対位置データとが入力される。抽出領域設定部１０９は、ユーザが指定した標的像指定データに基づいて、抽出領域データを標的像抽出部１１０に出力する。また、抽出領域設定部１０９は、予測相対位置データに基づいて標的６００を追尾するように、抽出領域データを更新して出力する。
【００６２】
表示変換部１０５には、ボリュームデータと、立体角データと、送信方向データと、送信強度データと、平均標的量データと、標的の時間経過に応じた複数の絶対位置データと、標的像のボリュームデータとが入力される。表示変換部１０５は、これらのデータを、例えば、図２に示すような画像データに変換して、表示部３００に出力する。表示部３００は、例えば、液晶表示パネルであって、表示変換部１０５から画像データが入力される。そして、表示部３００は、例えば、図２に示すような画像を表示する。
【００６３】
次に、本実施の一形態によるソナー装置の動作について説明する。
図３には、本実施の一形態によるソナー装置の動作が、フローチャートで示されている。制御部１０２は、このフローチャートに示された処理を、所定の周期で実行する。制御部１０２には、データ及びユーザの指示が、操作部１０１を介して入力される（ステップＳ１）。
【００６４】
操作部１０１から終了指示が入力されている場合（ステップＳ２−ＹＥＳ）、制御部１０２は、処理を終了する（ステップＳ２）。一方、操作部１０１から終了指示が入力されていない場合（ステップＳ２−ＮＯ）、制御部１０２は、操作部１０１からの入力に標的追尾指示があるか否かを、判定する（ステップＳ３）。
【００６５】
操作部１０１から標的追尾指示が入力されていない場合（ステップＳ３−ＮＯ）、制御部１０２は、探査方向指定データと、探査距離指定データと、探査立体角指定データと、設定反射断面積データとを、送受波制御部１０３に出力する。これにより、送受波制御部１０３は、探査方向指定データと、探査立体角指定データと、設定反射断面積データとに基づき、送信方向データと、送信立体角データとを定める。さらに、送受波制御部１０３は、探査距離指定データに基づく間隔で、これらを送受波部２００に出力し、探信波を送信させる（ステップＳ１１）。
【００６６】
一方、操作部１０１から標的追尾指示が入力されている場合（ステップＳ３−ＹＥＳ）、制御部１０２は、標的指定データが１つであって、かつ追尾開始後初めての探査か否か、を判定する。さらに、制御部１０２は、追尾開始後の１巡目の探査か否か、を判定する（ステップＳ４）。
【００６７】
標的指定データが１つであって、かつ追尾開始後初めての探査である場合、又は標的指定データが１つ以上であって、かつ追尾開始後の１巡目の探査である場合（ステップＳ４−ＹＥＳ）、制御部１０２は、標的追尾指示と共に操作部１０１から入力された標的像指定データを、抽出領域設定部１０９に出力する。これにより、抽出領域設定部１０９は、標的像指定データに基づいて抽出領域を決定し、抽出領域データを標的像抽出部１１０に出力する。そして、標的像抽出部１１０は、抽出領域データに基づき、追尾対象とする標的像を抽出する（ステップＳ５）。
【００６８】
制御部１０２は、探査方向指定データと、探査距離指定データと、探査立体角指定データと、設定反射断面積データとを、送受波制御部１０３に出力する。これにより、送受波制御部１０３は、探査方向指定データと、探査立体角指定データと、設定反射断面積データとに基づき、送信方向データと、送信立体角データとを定める。そして、送受波制御部１０３は、探査距離指定データに基づく間隔で、これらを送受波部２００に出力し、探信波を送信させる（ステップＳ６）。さらに、送受波制御部１０３は、ステップＳ１０を実行する。
【００６９】
一方、追尾開始後の１巡目の探査でない場合等（ステップＳ４−ＮＯ）、制御部１０２は、前回の標的探査間隔データを、標的位置予測部１０８に出力する。これにより、標的位置予測部１０８は、標的像ボリュームデータと、絶対位置データと、標的探査間隔データとに基づいて、予測標的像データと、予測相対位置データとを予測して、制御部１０２と、探査パラメータ算出部１０７とに出力する。また、探査パラメータ算出部１０７は、予測標的像データと、予測相対位置データとに基づき、探査方向データと探査距離データを出力する（ステップＳ７）。
【００７０】
そして、制御部１０２は、標的位置予測部１０８から入力された、予測標的像データと、予測相対位置データとを、抽出領域設定部１０９に出力する。これにより、抽出領域設定部１０９は、予測標的像データと、予測相対位置データとに基づいて抽出領域を決定し、抽出領域データを標的像抽出部１１０に出力する。さらに、標的像抽出部１１０は、抽出領域データに基づき、追尾対象とする標的像を抽出する（ステップＳ８）。
【００７１】
また、制御部１０２は、標的追尾指示データと、探査方向データと、探査距離データとを、送受波制御部１０３に出力する。さらに、制御部１０２は、設定反射断面積データの代わりとなる反射断面積データを、送受波制御部１０３に出力する。これにより、送受波制御部１０３は、探査方向データと、探査距離指定データと、反射断面積データとに基づき、送信方向データと、送信立体角データとを定める。そして、送受波制御部１０３は、探査距離データに基づく間隔で、これらを送受波部２００に出力し、探信波を送信させる（ステップＳ９）。
【００７２】
さらに、制御部１０２は、送信強度データと、受波有効面積データとを、反射断面積算出部１１２に出力する。これにより、反射断面積算出部１１２は、標的像抽出部１１０から入力された標的像データ及び標的相対位置データに基づいて、反射断面積を算出する（ステップＳ１０）。そして、制御部１０２は、ステップＳ１２を実行する。
【００７３】
また、制御部１０２は、操作部１０１から標的量算出指示が入力されているか否か、を判定する（ステップＳ１２）。標的量算出指示が入力されていない場合（ステップＳ１２−ＮＯ）、制御部１０２は、ステップＳ１に戻る。一方、標的量算出指示が入力されている場合（ステップＳ１２−ＹＥＳ）、制御部１０２は、標的像データと、標的量平均数データとを、標的量算出部１０６に出力する。これにより、標的量算出部１０６は、標的像抽出部１１０から入力された標的像データ及び標的相対位置データに基づいて、標的量を算出する（ステップＳ１３）。そして、制御部１０２は、ステップＳ１に戻る。
【００７４】
以上のように、ソナー装置１００（３次元探査装置）は、設定された探査距離と、送受波部が検出可能な反射波の最小値と、によって定まる値を超えないように、探信波の立体角を制御する。これにより、ソナー装置１００（３次元探査装置）は、スキャニングソナーと同等の送信強度で探信波を送信しても、遠方の標的の位置及び量（魚量等）を、精度よく算出することができる。
【００７５】
以上、この発明の実施形態について図面を参照して詳述してきたが、具体的な構成はこの実施形態に限られるものではなく、この発明の要旨を逸脱しない範囲の設計等も含まれる。
【００７６】
例えば、探信波は、前述の音波のほか、電磁波であってもよい。
【００７７】
また、例えば、ソナー装置１００（３次元探査装置）は、探査パラメータ算出部１０７において、予測標的像を全て含む探査立体角を算出してもよい。そして、ソナー装置１００（３次元探査装置）は、送受波制御部１０３において算出された探査距離及び探査立体角によって定まる値以上となるように、送受波部２００が標的６００に送信する次回の探信波の送信強度を定めても良い。
【００７８】
ここで、式［数４］よりＰｔを導き、右辺の探査立体角Ωを標的の探査結果より求めた探査立体角（Ωｍ）に置き換えると、式［数５］となる。したがって、送受波部２００における送信強度として、式［数５］で算出されるＰｔが最大送信強度より小さい範囲でＰｔを選択すれば、この範囲において、ソナー装置１００（３次元探査装置）は、送信電力を節約できる。
【００７９】
【数５】
【００８０】
また、図３に示す各ステップを実現するためのプログラムをコンピュータ読み取り可能な記録媒体に記録して、この記録媒体に記録されたプログラムをコンピュータシステムに読み込ませ、実行することにより、実行処理を行ってもよい。なお、ここでいう「コンピュータシステム」とは、ＯＳ（Ｏｐｅｒａｔｉｎｇ Ｓｙｓｔｅｍ）や周辺機器等のハードウェアを含むものであってもよい。
【００８１】
また、「コンピュータ読み取り可能な記録媒体」とは、フレキシブルディスク、光磁気ディスク、ＲＯＭ、フラッシュメモリ等の書き込み可能な不揮発性メモリ、ＣＤ−ＲＯＭ等の可搬媒体、コンピュータシステムに内蔵されるハードディスク等の記憶装置のことをいう。
【００８２】
さらに「コンピュータ読み取り可能な記録媒体」とは、インターネット等のネットワークや電話回線等の通信回線を介してプログラムが送信された場合のサーバやクライアントとなるコンピュータシステム内部の揮発性メモリ（例えばＤＲＡＭ（Ｄｙｎａｍｉｃ Ｒａｎｄｏｍ Ａｃｃｅｓｓ Ｍｅｍｏｒｙ））のように、一定時間プログラムを保持しているものも含むものとする。
また、上記プログラムは、このプログラムを記憶装置等に格納したコンピュータシステムから、伝送媒体を介して、あるいは、伝送媒体中の伝送波により他のコンピュータシステムに伝送されてもよい。ここで、プログラムを伝送する「伝送媒体」は、インターネット等のネットワーク（通信網）や電話回線等の通信回線（通信線）のように情報を伝送する機能を有する媒体のことをいう。
また、上記プログラムは、前述した機能の一部を実現するためのものであっても良い。
さらに、前述した機能をコンピュータシステムにすでに記録されているプログラムとの組み合わせで実現できるもの、いわゆる差分ファイル（差分プログラム）であっても良い。
【符号の説明】
【００８３】
１００…標的像追尾装置 １０１…操作部 １０２…制御部 １０３…送受波制御部 １０４…ボリュームデータ変換部 １０５…表示変換部 １０６…標的量算出部 １０７…探査パラメータ算出部 １０８…標的位置予測部 １０９…抽出領域設定部 １１０…標的像抽出部 １１１…標的位置算出部 １１２…反射断面積算出部 ２００…送受波部 ３００…表示部 ４００…自位置検出部 ５００…最大立体角で送信された探信波により形成される錐体の錐面 ５０１…最大強度で送信された探信波の照射面の縁の探査距離に応じた軌跡 ５０２…探信波 ５０３…送受波部２００から探査距離５０４だけ離れた探信波５０２の照射面 ５０４…探査距離 ５１２…探信波 ５１３…送受波部２００から標的相対距離５１４だけ離れた探信波５１２の照射面 ５１４…標的相対距離 ６００…標的
【特許請求の範囲】
【請求項１】
探信波を送信して当該探信波の反射波を受信する送受波部から当該反射波の強度に応じた信号を取得し、前記探信波により探査される探査範囲における強度分布を含むボリュームデータを生成する３次元探査装置において、
設定された探査距離と、前記送受波部が検出可能な前記反射波の最小値と、によって定まる値を超えないように、前記送受波部が送信する前記探信波の立体角を制御する送受波制御部を備えることを特徴とする３次元探査装置。
【請求項２】
前記強度分布に基づいて、前記ボリュームデータから標的像を抽出し、当該標的像の前記送受波部に対する位置である標的相対位置を算出する標的像抽出部と、
前記標的像と、前記標的相対位置と、前記標的像を探査した際の送信強度及び送信立体角と、前記送受波部の受波有効面積と、に基づいて、前記標的の反射断面積を算出する反射断面積算出部と、
を備えることを特徴とする請求項１に記載の３次元探査装置。
【請求項３】
前記送受波部の絶対位置データを取得し、該絶対位置データと、前記算出された標的相対位置と、に基づいて、前記標的の絶対位置を算出する標的位置算出部と、
前記抽出された標的像と、前記算出された絶対位置と、に基づいて、前記標的の次回の探査における前記送受波部に対する予測相対位置及び予測標的像を予測する標的位置予測部と、
前記算出された予測相対位置及び予測標的像に基づいて、前記予測相対位置、前記予測標的像の前記強度分布の中心、前記強度分布の重心、又は前記予測標的像の強度分布が最も強い領域に向けて、前記探信波を送信する探査方向を算出する探査パラメータ算出部と、
を備え、
前記送受波制御部において、前記算出された探査方向に基づき、前記送受波部が前記標的に送信する次回の前記探信波の送信方向を制御して標的を追尾することを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の３次元探査装置。
【請求項４】
指定された複数の標的を所定順に探査し、２巡目以降、同じ標的の前回の探査結果に基づいて、探査パラメータを設定して探査することを繰り返して、複数の標的を追尾する制御部
を備えることを特徴とする請求項３に記載の３次元探査装置。
【請求項５】
前記標的像の前記強度分布の総和に基づく標的量を算出し、さらに同じ標的を複数探査して複数の前記標的量を得て、当該総和に基づく標的量と複数の前記標的量との変動を緩和した量を算出する標的量算出部を備えることを特徴とする請求項１から請求項４のいずれか１つに記載の３次元探査装置。
【請求項１】
探信波を送信して当該探信波の反射波を受信する送受波部から当該反射波の強度に応じた信号を取得し、前記探信波により探査される探査範囲における強度分布を含むボリュームデータを生成する３次元探査装置において、
設定された探査距離と、前記送受波部が検出可能な前記反射波の最小値と、によって定まる値を超えないように、前記送受波部が送信する前記探信波の立体角を制御する送受波制御部を備えることを特徴とする３次元探査装置。
【請求項２】
前記強度分布に基づいて、前記ボリュームデータから標的像を抽出し、当該標的像の前記送受波部に対する位置である標的相対位置を算出する標的像抽出部と、
前記標的像と、前記標的相対位置と、前記標的像を探査した際の送信強度及び送信立体角と、前記送受波部の受波有効面積と、に基づいて、前記標的の反射断面積を算出する反射断面積算出部と、
を備えることを特徴とする請求項１に記載の３次元探査装置。
【請求項３】
前記送受波部の絶対位置データを取得し、該絶対位置データと、前記算出された標的相対位置と、に基づいて、前記標的の絶対位置を算出する標的位置算出部と、
前記抽出された標的像と、前記算出された絶対位置と、に基づいて、前記標的の次回の探査における前記送受波部に対する予測相対位置及び予測標的像を予測する標的位置予測部と、
前記算出された予測相対位置及び予測標的像に基づいて、前記予測相対位置、前記予測標的像の前記強度分布の中心、前記強度分布の重心、又は前記予測標的像の強度分布が最も強い領域に向けて、前記探信波を送信する探査方向を算出する探査パラメータ算出部と、
を備え、
前記送受波制御部において、前記算出された探査方向に基づき、前記送受波部が前記標的に送信する次回の前記探信波の送信方向を制御して標的を追尾することを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の３次元探査装置。
【請求項４】
指定された複数の標的を所定順に探査し、２巡目以降、同じ標的の前回の探査結果に基づいて、探査パラメータを設定して探査することを繰り返して、複数の標的を追尾する制御部
を備えることを特徴とする請求項３に記載の３次元探査装置。
【請求項５】
前記標的像の前記強度分布の総和に基づく標的量を算出し、さらに同じ標的を複数探査して複数の前記標的量を得て、当該総和に基づく標的量と複数の前記標的量との変動を緩和した量を算出する標的量算出部を備えることを特徴とする請求項１から請求項４のいずれか１つに記載の３次元探査装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図２】
【図３】
【図４】
【公開番号】特開２０１１−２０３１２３（Ｐ２０１１−２０３１２３Ａ）
【公開日】平成２３年１０月１３日（２０１１．１０．１３）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１０−７０８５２（Ｐ２０１０−７０８５２）
【出願日】平成２２年３月２５日（２０１０．３．２５）
【出願人】（０００００４３３０）日本無線株式会社 (1,186)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２３年１０月１３日（２０１１．１０．１３）
【国際特許分類】
【出願日】平成２２年３月２５日（２０１０．３．２５）
【出願人】（０００００４３３０）日本無線株式会社 (1,186)
【Ｆターム（参考）】
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