(57)【要約】【課題】海底付近に存在するターゲットを、より明確に識別することのできる、信号処理装置、水中探知装置、信号処理方法、及びプログラムを提供する。【解決手段】ソナー装置１は、複数の超音波振動子により水中に超音波を送信し、ターゲットＦ１，Ｆ２，Ｆ３からの受信信号を複数の超音波振動子により受信してターゲットＦ１，Ｆ２，Ｆ３を探知する。ソナー装置１は、信号処理装置を有している。信号処理装置は、送信ビーム制御部と、受信ビーム形成部とを有している。送信ビーム制御部は、俯角θ１に送信ビームＢ１を形成する。受信ビーム形成部は、受信信号に基づいて、俯角θ２のステアリング方向に受信ビームＢ２を形成する。送信ビームＢ１の俯角θ１は、受信ビームＢ２の俯角θ２よりも小さい。【選択図】図３
2014157083.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数の超音波振動子により水中に超音波による送信ビームを送信し、ターゲットからの受信信号を複数の超音波振動子により受信して前記ターゲットを探知する水中探知装置に用いる信号処理装置であって、
前記送信ビームを所定の俯角に設定する送信ビーム制御部と、
前記受信信号に基づいて、所定の俯角のステアリング方向に受信ビームを形成する受信ビーム形成部と、を備え、
前記所定の俯角のステアリング方向に対する探知において前記送信ビームの俯角が前記受信ビームの俯角よりも小さいことを特徴とする、信号処理装置。
【請求項２】
請求項１に記載の信号処理装置であって、
前記受信ビーム形成部は、前記受信信号の相関行列と、前記超音波振動子に関するステアリングベクトルとを用いて、前記受信ビームを形成することを特徴とする、信号処理装置。
【請求項３】
請求項１又は請求項２に記載の信号処理装置であって、
前記受信ビーム形成部は、適応ビームフォーミング法を用いて、前記受信ビームを形成することを特徴とする、信号処理装置。
【請求項４】
請求項１に記載の信号処理装置であって、
前記受信ビーム形成部は、複数の前記超音波振動子からの前記受信信号を遅延させ、遅延させた各前記受信信号を合成することによって、前記受信ビームを形成することを特徴とする、信号処理装置。
【請求項５】
請求項１又は請求項４に記載の信号処理装置であって、
前記受信ビーム形成部は、ビームフォーマ法を用いて、前記受信ビームを形成することを特徴とする、信号処理装置。
【請求項６】
請求項１乃至請求項５の何れか１項に記載の信号処理装置であって、
前記ステアリング方向が第１の俯角にあるときの前記送信ビームの俯角と前記第１の俯角との角度差は、前記ステアリング方向が前記第１の俯角よりも小さい第２の俯角にあるときの前記送信ビームの俯角と前記第２の俯角との角度差よりも小さいことを特徴とする、信号装置処理。
【請求項７】
水中のターゲットを探知する水中探知装置であって、
請求項１乃至請求項６の何れか１項に記載の信号処理装置と、
水中に超音波を送信する前記複数の超音波振動子と、
ターゲットからの前記受信信号を受信する前記複数の超音波振動子と、を備えていることを特徴とする、水中探知装置。
【請求項８】
請求項７に記載の水中探知装置であって、
水中に超音波を送信する前記複数の超音波振動子と前記受信信号を受信する前記複数の超音波振動子が共通していることを特徴とする、水中探知装置。
【請求項９】
複数の超音波振動子により水中に超音波による送信ビームを送信し、ターゲットからの受信信号を複数の超音波振動子により受信して前記ターゲットを探知する水中探知装置における信号処理方法であって、
前記送信ビームを所定の俯角に設定する送信ビーム制御ステップと、
前記受信信号に基づいて、所定の俯角のステアリング方向に受信ビームを形成する受信ビーム形成ステップと、を含み、
前記所定の俯角のステアリング方向に対する探知において前記送信ビームの俯角が前記受信ビームの俯角よりも小さいことを特徴とする、信号処理方法。
【請求項１０】
複数の超音波振動子により水中に超音波による送信ビームを送信し、ターゲットからの受信信号を複数の超音波振動子により受信して前記ターゲットを探知する水中探知装置のためのプログラムであって、
コンピュータに、
前記送信ビームを所定の俯角に設定する送信ビーム制御ステップと、
前記受信信号に基づいて、所定の俯角のステアリング方向に受信ビームを形成する受信ビーム形成ステップと、を実行させ、
前記所定の俯角のステアリング方向に対する探知において前記送信ビームの俯角が前記受信ビームの俯角よりも小さいことを特徴とする、プログラム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、水中のターゲットを探知するための信号処理装置、水中探知装置、信号処理方法、及びプログラムに関する。
【背景技術】
【０００２】
水中に存在する魚等のターゲットを探知するソナー装置が知られている（例えば、特許文献１参照）。このソナー装置のうち、複数の超音波振動子を有する備えたソナー装置（例えばスキャニングソナー）は、各超音波振動子を振動することで超音波を送信する。超音波パルス送信の際、このソナー装置は、各超音波振動子の送信パルスの位相を調整することで送信ビームを生成する。また、このソナー装置は、送信した超音波の反射波であるエコー信号を、各超音波振動子で受信する。そして、ソナー装置は、マルチビーム法（ビームフォーミング法）、又は超解像法（適応ビームフォーミング法）を用いて受信ビーム出力を生成し、最終的に表示装置の表示画面にＰＰＩ（Plan Position Indicator）画像を表示する。適応ビームフォーミング法として、Ｃａｐｏｎ法、ＥＳＰＲＩＴ法、ＭＵＳＩＣ法、Ｐｒｏｎｙ法等を例示することができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開平１１−３４４５６６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ところで、図１５に示すように、例えば魚等の３体のターゲットＦ１，Ｆ２，Ｆ３が海底ＳＢ付近に存在する場合を考える。この場合、船１００に搭載されたソナー装置は、海底ＳＢに向けて送信ビームＢ１０１を送信する。このソナー装置は、一般的なマルチビーム法を用いて受信ビームを形成し、この受信ビームに基づいてＰＰＩ画像を生成する。これにより、ソナー装置の表示装置には、図１６に示すようなＰＰＩ画像が表示される。尚、図１５では、水平面に対する送信ビームＢ１０１の方向、及び受信ビームの方向の何れもが、俯角θ＝θ１００として設定されている。通常、送信ビームＢ１０１は、俯角θの方向に鋭く、水平方向には無指向である。
【０００５】
図１６に示すＰＰＩ画像では、ターゲットが明確に識別できないという問題がある。具体的には、図１５及び図１６を参照して、３体のターゲットＦ１，Ｆ２，Ｆ３のエコー信号のうち、海底ＳＢからのエコー信号ＳＳＢ（残響）の影響を最も大きく受けるターゲットＦ３（図１５ではソナー装置から一番遠方に位置するターゲット）のエコー信号が、海底ＳＢからのエコー信号ＳＳＢによってマスクされてしまう。その結果、ＰＰＩ画像では、ターゲットＦ３のエコー像ＦＥ３は、海底ＳＢのエコー像ＳＢＥにマスクされてしまい、エコー像ＳＢＥと識別され難い。これは、ソナー装置からの送信ビームＢ１０１のメインローブが、海底で反射されること等によって、生じる。尚、図解を容易にするため、ＰＰＩ画像を示す全ての図において、ターゲットのエコー像は、丸線ＣＬで囲まれている。丸線ＣＬは、実際のＰＰＩ画像には表示されない。
【０００６】
図１７は、図１６のＰＰＩ画像を生成する際に送信された送信ビームＢ１０１の送波指向性を示すグラフである。図１７では、θ１００＝２０°である場合の送波指向性が示されている。
【０００７】
上述した問題に対し、マルチビーム法を用いたソナー装置であれば、俯角θを、θ１００よりも小さいθ９９にすることで、海底ＳＢからのエコー信号ＳＳＢの感度を下げることができる。これにより、図１８に示すように、ＰＰＩ画像において、３つのターゲットＦ１，Ｆ２，Ｆ３のエコー像ＦＥ１，ＦＥ２，ＦＥ３と、海底ＳＢのエコー像ＳＢＥとを、比較的明確に識別できる。図１９は、図１８のＰＰＩ画像を生成する際に送信された送信ビームの送波指向性を示すグラフである。図１９では、θ９９＝１５°である場合の送波指向性が示されている。θ９９は、θ１００よりも５°小さい。
【０００８】
しかしながら、マルチビーム法を用いたソナー装置において、ターゲットのエコー像と、他のエコー像とを、より一層明確に識別できるようにすることが、好ましい。
【０００９】
また、図２０に示すように、超解像法を用いるソナー装置において、ターゲットを正確に識別できないという問題が、存在する。図２１は、図２０のＰＰＩ画像を生成する際に送信された送信ビームの送波指向性を示すグラフである。図２１では、θ１００＝２０°である場合の送波指向性が示されている。
【００１０】
図２０及び図２１に示すように、俯角θ＝θ１００である場合、ＰＰＩ画像には、エコー像ＦＥ１，ＦＥ２は表示される。しかしながら、ＰＰＩ画像において、エコー像ＦＥ３は、海底ＳＢのエコー像ＳＢＥにマスクされてしまい、エコー像ＳＢＥと識別できない。
【００１１】
ここで、超解像法を用いたソナー装置は、俯角θを、θ１００よりも小さいθ９９に変更することで、海底ＳＢからのエコー信号ＳＳＢの感度を下げることが考えられる。しかしながら、このようにしても、図２２に示すように、依然として、ＰＰＩ画像でターゲットを明確に表示できない。これは、超解像法を用いた場合、従来のマルチビーム法を用いた場合に比べて分解能が高いことに起因する。即ち、海底ＳＢからのエコー信号ＳＳＢの感度の低下とともにターゲットＦ１，Ｆ２，Ｆ３からのエコー信号の感度も低下することが原因である。尚、図２３は、図２２のＰＰＩ画像を生成する際に送信された送信ビームの送波指向性を示すグラフである。図２３では、θ９９＝１５°である場合の送波指向性が示されている。
【００１２】
超解像法を用いた場合に、ターゲットを明確に識別できない原因を、更に詳細に説明する。図２４及び図２５は、超解像法を用いたソナー装置における送波指向性及び受信特性を示すグラフである。尚、図２４及び図２５の横軸は、ソナー装置を中心とした俯角を表している。また、ターゲット（魚）は、俯角＝２０度の位置に設定され、ノイズ（海底）は、俯角＝２５度の位置に設定されている。図２４，図２５では、ソナー装置から俯角θ１００＝２０°の方向に、ターゲット（魚）が存在している場合が示されている。
【００１３】
図２４及び図２５において、グラフＧ１は、送信ビームの特性を示している。また、グラフＧ２は、受信特性（受信ビームの特性）を示している。また、グラフＧ３は、ターゲットからの受信強度を示している。また、グラフＧ４は、海底からの信号強度（ノイズ強度）を示している。
【００１４】
超解像法は、素子（超音波振動子）の位置及び感度のばらつき等に対して脆弱である。素子にばらつきがある場合、エコー信号強度の弱いターゲットの信号強度が、エコー信号強度の強いノイズの影響により劣化することがある。これを図２４に当てはめると、送受信ビームの送受信方向、すなわち、ステアリング方向上の位置の近傍に強いノイズ（海底）が存在すると、受信特性Ｇ２となることがある。
【００１５】
これに対して、図２５のように送受信ビームの送受信方向を上方にシフトする、すなわち俯角θを小さくすると、受信特性Ｇ２の信号は、海底ＳＢからのエコー信号ＳＳＢを、受信しないようにできる。しかしながら、この場合、受信ビームのステアリング方向も変更されているため、本来得たい出力の方向とは異なる方向の出力を算出してしまい、正確な出力が得られない。
【００１６】
そこで本発明は、海底付近に存在するターゲットを、より明確に識別することのできる信号処理装置、水中探知装置、信号処理方法、及びプログラム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】
【００１７】
（１）上記課題を解決するため、本発明のある局面に係る信号処理装置は、複数の超音波振動子により水中に超音波による送信ビームを送信し、ターゲットからの受信信号を複数の超音波振動子により受信して前記ターゲットを探知する水中探知装置に用いる信号処理装置であって、送信ビーム制御部と、受信ビーム形成部と、を備えている。前記送信ビーム制御部は、前記送信ビームを所定の俯角に設定する。前記受信ビーム形成部は、前記受信信号に基づいて、所定の俯角のステアリング方向に受信ビームを形成する。前記信号処理装置では、前記所定の俯角のステアリング方向に対する探知において前記送信ビームの俯角が前記受信ビームの俯角よりも小さい。
【００１８】
（２）好ましくは、前記受信ビーム形成部は、前記受信信号の相関行列と、前記超音波振動子に関するステアリングベクトルとを用いて、前記受信ビームを形成する。
【００１９】
（３）好ましくは、前記受信ビーム形成部は、適応ビームフォーミング法を用いて、前記受信ビームを形成する。
【００２０】
（４）好ましくは、前記受信ビーム形成部は、複数の前記超音波振動子からの前記受信信号を遅延させ、遅延させた各前記受信信号を合成することによって、前記受信ビームを形成する。
【００２１】
（５）好ましくは、前記受信ビーム形成部は、ビームフォーマ法を用いて、前記受信ビームを形成する。
【００２２】
（６）好ましくは、前記ステアリング方向が第１の俯角にあるときの前記送信ビームの俯角と前記第１の俯角との角度差は、前記ステアリング方向が前記第１の俯角よりも小さい第２の俯角にあるときの前記送信ビームの俯角と前記第２の俯角との角度差よりも小さい。
【００２３】
（７）上記課題を解決するため、本発明のある局面に係る水中探知装置は、水中のターゲットを探知する水中探知装置であって、前記信号処理装置と、前記複数の超音波振動子と、を備えている。前記超音波振動子は、水中に超音波を送信する。また、前記超音波振動子は、ターゲットからの前記受信信号を受信する。
【００２４】
（８）より好ましくは、水中に超音波を送信する前記複数の超音波振動子と前記受信信号を受信する前記複数の超音波振動子が共通している。
【００２５】
（９）上記課題を解決するため、本発明のある局面に係る信号処理方法は、複数の超音波振動子により水中に超音波による送信ビームを送信し、ターゲットからの受信信号を複数の超音波振動子により受信して前記ターゲットを探知する水中探知装置における信号処理方法であって、送信ビーム制御ステップと、受信ビーム形成ステップと、を含む。前記送信ビーム制御ステップは、前記送信ビームを所定の俯角に設定する。前記受信ビーム形成ステップは、前記受信信号に基づいて、所定の俯角のステアリング方向に受信ビームを形成する。前記所定の俯角のステアリング方向に対する探知において前記送信ビームの俯角が前記受信ビームの俯角よりも小さい。
【００２６】
（１０）上記課題を解決するため、本発明のある局面に係るプログラムは、複数の超音波振動子により水中に超音波による送信ビームを送信し、ターゲットからの受信信号を複数の超音波振動子により受信して前記ターゲットを探知する水中探知装置のためのプログラムであって、コンピュータに、送信ビーム制御ステップと、受信ビーム形成ステップとを実行させる。前記送信ビーム制御ステップは、前記送信ビームを所定の俯角に設定する。前記受信ビーム形成ステップは、前記受信信号に基づいて、所定の俯角のステアリング方向に受信ビームを形成する。前記所定の俯角のステアリング方向に対する探知において前記送信ビームの俯角が前記受信ビームの俯角よりも小さい。
【発明の効果】
【００２７】
本発明によれば、海底付近に存在するターゲットを、より明確に識別することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２８】
【図１】本発明の実施形態に係るソナー装置の構成を示すブロック図である。
【図２】本発明の実施形態に係るソナー装置が水中を探知する様子を示す斜視図である。
【図３】（ａ）本発明の実施形態に係るソナー装置が、ある一部の方位について水中を探知する様子を示す側面図であり、（ｂ）及び（ｃ）は、それぞれ、送信ビームの俯角と、受信ビームの俯角との関係を説明するための、側面図である。
【図４】本発明の実施形態に係るソナー装置における受信ビーム形成部の詳細な構成を示すブロック図である。
【図５】本発明の実施形態に係るソナー装置における水中探知処理の手順の一例を示すフローチャートである。
【図６】実施例１において得られたＰＰＩ画像を示す図である。
【図７】実施例１及び比較例における送信ビームの送波指向性を示すグラフである。
【図８】実施例２において得られたＰＰＩ画像を示す図である。
【図９】実施例２及び比較例における送信ビームの送波指向性を示すグラフである。
【図１０】比較例において得られたＰＰＩ画像を示す図である。
【図１１】比較例における送信ビームの送波指向性を示すグラフである。
【図１２】ソナー装置における受信ビームと送信ビームとの関係を示すグラフである。
【図１３】変形例におけるビーム幅を説明するためのグラフである。
【図１４】変形例におけるビーム幅を説明するためのグラフである。
【図１５】従来のソナー装置において水中を探知する様子を示す側面図である。
【図１６】従来のソナー装置が生成したＰＰＩ画像を示す図である。
【図１７】図１６のＰＰＩ画像を生成する際に送信された送信ビームの送波指向性を示すグラフである。
【図１８】従来のソナー装置が送受信ビームのチルト角を小さくして生成したＰＰＩ画像を示す図である。
【図１９】図１８のＰＰＩ画像を生成する際に送信された送信ビームの送波指向性を示すグラフである。
【図２０】超解像法を用いるソナー装置が生成したＰＰＩ画像を示す図である。
【図２１】図２０のＰＰＩ画像を生成する際に送信された送信ビームの送波指向性を示すグラフである。
【図２２】超解像法を用いるソナー装置が送受信ビームのチルト角を小さくして生成したＰＰＩ画像を示す図である。
【図２３】図２２のＰＰＩ画像を生成する際に送信された送信ビームの送波指向性を示すグラフである。
【図２４】超解像法を用いるソナー装置における送波指向性及び受信特性を示すグラフである。
【図２５】超解像法を用いるソナー装置における送波指向性及び受信特性を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００２９】
以下、本発明を実施するための形態について図面を参照しつつ説明する。尚、以下では、図中同一又は相当部分には同一符号を付してその説明は繰り返さない。
【００３０】
［ソナー装置の構成］
図１は、本発明の実施形態に係るソナー装置（水中探知装置）１の構成を示すブロック図である。図２は、本発明の実施形態に係るソナー装置１が水中を探知する様子を示す斜視図である。図３（ａ）は、本発明の実施形態に係るソナー装置１が、ある一部の方位について水中のターゲットＦ１，Ｆ２，Ｆ３を探知する様子を示す側面図である。本実施形態のソナー装置１は、例えば、漁船等の船舶に備えられている。以下では、ソナー装置１を備えている船舶を「自船」という。尚、本実施形態では、ソナー装置１としてスキャニングソナーを例に説明する。
【００３１】
図１〜図３（ａ）を参照して、ソナー装置１は、自船５０に備えられている。自船５０は、水上で浮いており、水中には、ターゲットＦ１，Ｆ２，Ｆ３が存在している。ターゲットＦ１，Ｆ２，Ｆ３は、例えば、魚である。
【００３２】
本実施形態に係るソナー装置１は、複数の超音波振動子により水中に超音波による送信ビームＢ１を送信し、次いで、水中のターゲット（例えば、Ｆ１，Ｆ２，Ｆ３）からの受信信号を複数の超音波振動子により受信し、上記ターゲットを探知するように構成されている。
【００３３】
ソナー装置１は、送受波器２と、送受切替部３と、送信ビーム制御部４と、増幅部５と、Ａ／Ｄ変換部６と、受信ビーム形成部７と、操作・表示装置８と、を備えている。
【００３４】
送信ビーム制御部４及び受信ビーム形成部７によって、信号処理装置１０が形成されている。尚、ソナー装置１は、操作・表示装置８を備えていなくてもよい。この場合、ソナー装置１は、受信ビーム形成部７から出力したデータを、外部の表示装置で表示させる構成とすることができる。
【００３５】
送受波器２は、超音波を送受信する機能を有し、自船１の船底等に取り付けられている。送受波器２は、例えば、略円筒形状であって、その軸方向が垂直方向に沿い、半径方向が水平方向に沿うように配置されている。
【００３６】
より具体的には、送受波器２は、略円筒形状の筐体と、この筐体の外周面に取り付けられた複数の超音波振動子と、を有している。各超音波振動子は、超音波を水中に送信するとともに、水中からのエコー信号を受信し、このエコー信号を電気信号に変換することで、受信信号を受信する。このように、本実施形態では、送受波器２において、水中に超音波を送信する複数の超音波振動子と、ターゲットからの受信信号を受信する複数の超音波振動子とは、共通している。尚、水中に超音波を送信する複数の超音波振動子と、受信信号を受信する複数の超音波振動子とは、別個であってもよい。また、送受波器２の形状は特に限定されるものではなく、例えば、球形状等の他の形状でもよい。また、以下の説明では、超音波振動子ごとの送信又は受信の系統をチャネルと称する。
【００３７】
送信ビーム制御部４は、送受波器２の各超音波振動子を駆動するために、所定の周波数の正弦波の送信信号を、送受切替部３を介して送受波器２に所定時間出力する。また、送信ビーム制御部４は、チャネルごとに送信信号の位相制御も行う。このように、送信ビーム制御部４が、送信信号の出力を通じて送受波器２の各超音波振動子を駆動させる。これにより、図２に示すような傘状（放射状）の送信ビームＢ１が、送受波器２から水中に送信される。
【００３８】
また、送信ビーム制御部４は、所望のステアリング方向Ｄ２よりも上方を向く送信方向Ｄ１に向かう送信ビームＢ１を、送受波器２に送信させる。送信方向Ｄ１は、水平方向に対して、下向きの方向である。このように、送信ビーム制御部４は、受信ビーム形成部７における受信ビームＢ２の受信方向（ステアリング方向Ｄ２）よりも上方の方向に向かう送信ビームＢ１を、送受波器２に送信させる。
【００３９】
すなわち、送信ビーム制御部４は、送信ビームＢ１の俯角θ１が、受信ビームＢ２（ステアリング方向Ｄ２）の俯角θ２よりも小さくなるように、俯角θ１を設定する。送信ビーム制御部４は、この俯角θ１を有する送信ビームＢ１を、送受波器２に送信させる。このように、俯角θ２のステアリング方向Ｄ２に対する探知において、送信ビームＢ１の俯角θ１が、受信ビームＢ２の俯角θ２よりも小さく設定される。尚、俯角θ１，θ２は、水平（水面）方向に対する角度であり、チルト角ともいう。
【００４０】
ここで、送信ビーム制御部４は、受信ビームＢ２のサイドローブを低減させるように俯角θ１，θ２を調整して送受波器２に送信ビームＢ１を送信させることが好ましい。送信ビーム制御部４は、送受波器２の各超音波振動子が送信するパルスの振幅及び位相を制御することによって、送信ビームの送信方向Ｄ１を制御することができる。また、図３（ａ）は、側面視における、ある一方位の送受信ビームＢ１，Ｂ２を示しているけれども、実際には図２に示すように、平面視で自船５０の周囲の全方位に、送受信ビームＢ１，Ｂ２が形成される。
【００４１】
図３（ｂ）及び図３（ｃ）は、それぞれ、送信ビームＢ１の俯角θ１と、受信ビームＢ２の俯角θ２との関係を説明するための、側面図である。図１、図３（ｂ）及び図３（ｃ）を参照して、ステアリング方向Ｄ２が第１の俯角θ２１にあるときの、送信ビームＢ１の俯角θ１１と第１の俯角θ２１との角度差は、角度差（θ２１−θ１１）である。また、ステアリング方向Ｄ２が第１の俯角θ２１よりも小さい第２の俯角θ２２にあるときの、送信ビームＢ１の俯角θ１２と第２の俯角θ２２との角度差は、角度差（θ２２−θ１２）である。本実施形態では、角度差（θ２１−θ１１）は、角度差（θ２２−θ１２）よりも小さい｛角度差（θ２１−θ１１）＜角度差（θ２２−θ１２）｝。
【００４２】
再び図１〜図３（ａ）を参照して、送受切替部３は、送信ビーム制御部４からの送信信号を送受波器２に出力するとともに、送受波器２からの受信信号を増幅部５に出力する。増幅部５は、送受波器２から送られてきた、チャネルごとの受信信号を増幅処理する。
【００４３】
Ａ／Ｄ変換部６は、増幅部５によって増幅されたチャネルごとの受信信号をＩＱ検波等によりアナログ信号から複素ディジタル信号に変換し、この複素ディジタル信号を受信ビーム形成部７に出力する。詳細には、Ａ／Ｄ変換部６は、各チャネルの受信信号を、所定のサンプリング周期で、送信信号の周波数と同じ周波数の内部的な正弦波信号の第１位相と、この第１位相と９０度だけ位相の異なる第２位相とでサンプリングする。そして、Ａ／Ｄ変換部６は、サンプリングした信号を受信ビーム形成部７へ順次出力する。
【００４４】
尚、第１位相でサンプリングされた信号をＩ信号とし、第２位相でサンプリングされた信号をＱ信号とすると、Ａ／Ｄ変換部６の出力信号からＩ＋ｊＱ（ｊは虚数単位）で表されるＩＱ信号が得られる。
【００４５】
受信ビーム形成部７は、Ａ／Ｄ変換部６から出力された複素ディジタル信号に基づき、所定の俯角θ２のステアリング方向Ｄ２に受信ビームＢ２を形成する。本実施形態では、受信ビーム形成部７は、適応ビームフォーミング法を用いて受信ビームＢ２を形成する。受信ビーム形成部７は、図１及び図４に示すように、相関行列算出部７１と、角度スペクトラム計算部７２と、到来方向及び強度計算部７３と、を有している。
【００４６】
この受信ビーム形成部７及び送信ビーム制御部４は、例えば図示しないＣＰＵ（Central Processing Unit）、ＦＰＧＡ（Field-Programmable Gate Array）及びメモリ等のデバイスで構成される。例えば、ＣＰＵが、メモリからプログラムを読み出して実行することにより、送信ビーム制御部４と、相関行列算出部７１と、角度スペクトラム計算部７２と、到来方向及び強度計算部７３の、各機能を実現できる。尚、以下の説明では、時刻ｔにおける超音波振動子の複素ディジタル信号を、まとめて入力ベクトルＸ（ｔ）で表す。
【００４７】
相関行列算出部７１は、入力ベクトルＸ（ｔ）から時刻ｔにおける相関行列Ｒ（ｔ）を算出する。相関行列Ｒ（ｔ）は次の（１）式で与えられる。
Ｒ（ｔ）＝Ｅ［Ｘ（ｔ）ＸＨ（ｔ）］    …（１）
ここで、Ｅ［・］は、期待値（アンサンブル平均）を求める操作を表し、Ｈは複素共役転置を表す。アンサンブル平均は、時間平均で代用される。つまり、時刻ｔにおける相関行列Ｒ（ｔ）を求めるにあたり、その前後のサンプリング時刻における入力ベクトルも用いる。一様時間平均の場合、次のようになる。
【００４８】
【数１】
2014157083.tif 000003
ここで、時間平均の範囲を［ｔ−Ｔｍｉｎ，ｔ＋Ｔｍａｘ］とした。
【００４９】
尚、相関行列Ｒ（ｔ）の時間平均は一様でなく、適当な重みを付けた時間平均でもよい。また時間平均は行わなくてもよい。以降の説明で、相関行列Ｒ（ｔ）の時間平均は行わないこととする。また、特定の時刻における相関行列のみを考えることとし、相関行列と入力ベクトルの引数ｔを省く。
【００５０】
角度スペクトラム計算部７２では、例えば、Ｃａｐｏｎ法を用いた数値計算によって、角度スペクトラムＰ（θ）を得る。Ｃａｐｏｎ法は、ステアリングベクトルａ（θ）と、相関行列Ｒと、を用いて、受信ビームＢ２を形成し角度スペクトラムＰ（θ）を算出する。ステアリングベクトルａ（θ）は、アレイ（複数の超音波振動子）の形状によって決まる。尚、Ｃａｐｏｎ法については、公知であるため詳細な説明は省略する。
【００５１】
到来方向及び強度計算部７３は、角度スペクトラム計算部７２で計算された角度スペクトラムＰ（θ）の解から、到来波の到来方向と強度とを計算する。計算例として、到来方向及び強度計算部７３は、角度スペクトラムＰ（θ）のピーク（極大値）の位置（方位θ）から到来方向の推定を行う。また、到来方向及び強度計算部７３は、この極大値から到来波の強度を計算する。到来方向及び強度計算部７３は、複数の時刻の入力ベクトルからそれぞれ求まる複数の角度スペクトラムＰ（θ）から、水中断面を示す映像信号を生成する。
【００５２】
操作・表示装置８は、受信ビーム形成部７から出力された映像信号に応じた映像を表示画面に表示する。この操作・表示装置８は、入力キー等の種々の入力手段等を備えており、超音波の送受信、信号処理、又は映像表示に必要な種々の設定又は種々のパラメータ等を入力できるように構成されている。
【００５３】
［ソナー装置の動作］
次に、上述したソナー装置１における処理の流れの一例について、図５を参照しつつ説明する。図５は、ソナー装置１における処理の流れの一例を説明するためのフローチャートである。尚、フローチャートを参照して説明する場合には、フローチャート以外の図も適宜参照する。
【００５４】
図５に示すように、送信ビーム制御部４から送信信号が与えられることで、送受波器２は、ステアリング方向Ｄ２の俯角θ２よりも小さい俯角θ１を有する送信方向Ｄ１に向けて、送信ビームＢ１を送信する（ステップＳ１）。詳細には、送信ビーム制御部４は、送信信号を形成して送受波器２の各超音波振動子を駆動させる。これにより、送受波器２は、ステアリング方向Ｄ２よりも上方の送信方向Ｄ１を向く送信ビームＢ１を、送信ビーム制御部４に送信させる。
【００５５】
送受波器２は、送信ビームＢ１を送信した後、送信ビームＢ１がターゲットＦ１，Ｆ２，Ｆ３又は海底ＳＢ等によって反射することで生じたエコー信号（反射波）を、受信する（ステップＳ２）。
【００５６】
次に、ソナー装置１は、受信したエコー信号を基に、受信ビーム生成前処理を実行する（ステップＳ３）。具体的には、まず、送受波器２は、受信したエコー信号を電気信号に変換することで、受信信号を生成する。次に、増幅部５は、受信信号に対して増幅処理を実行する。そして、Ａ／Ｄ変換部６は、受信信号をＩＱ検波等によりアナログ信号から複素ディジタル信号に変換し、この複素ディジタル信号を受信ビーム形成部７に出力する。
【００５７】
続いて、受信ビーム形成部７は、Ａ／Ｄ変換部６から出力された複素ディジタル信号に基づき、走査角度ごとに受信ビームＢ２を形成し、角度スペクトラムＰ（θ）を算出する（ステップＳ４）。より具体的には、受信ビーム形成部７の相関行列算出部７１は、受信信号をデジタル化して得られた入力ベクトルＸを取得する。次に、相関行列算出部７１は、入力ベクトルＸから相関行列Ｒを算出する。続いて、角度スペクトラム計算部７２は、Ｃａｐｏｎ法を用いて、走査角度ごとに受信ビームＢ２を形成し、角度スペクトラムＰ（θ）を算出する。
【００５８】
次に、受信ビーム形成部７は、到来方向の推定及び到来波の強度の計算を行う（ステップＳ５）。具体的には、到来方向及び強度計算部７３が、角度スペクトラムＰ（θ）のピーク（極大値）の位置（方位θ）から到来方向を推定する。また、到来方向及び強度計算部７３は、この極大値から到来波の強度を算出する。そして、到来方向及び強度計算部７３は、各入力ベクトルＸについて、必要な範囲で走査を行い、求められた角度スペクトラムＰ（θ）から映像信号を生成する。
【００５９】
そして、操作・表示装置８は、受信ビーム形成部７から出力された映像信号に基づき、ＰＰＩ画像を表示画面に表示する（ステップＳ６）。
【００６０】
［プログラム］
本実施形態に係るプログラムは、コンピュータに、信号処理装置１０の処理を実行させるプログラムであればよい。このプログラムをコンピュータにインストールし、実行することによって、本実施形態における信号処理装置１０と、信号処理方法と、を実現することができる。この場合、コンピュータのＣＰＵ（Central Processing Unit）は、送信ビーム制御部４、及び受信ビーム形成部７として機能し、処理を行う。なお、信号処理装置１０は、このようにソフトウェアとハードウェアとの協働によって実現されてもよいし、ハードウェアによって実現されてもよい。また、本実施形態に係るプログラムは、ＤＶＤ（Digital Versatile Disc）等の記録媒体に記録された状態で流通されてもよいし、有線又は無線を用いた通信回線によって流通されてもよい。
【００６１】
以上説明した本実施形態に係るソナー装置１では、俯角θ２のステアリング方向Ｄ２に対する探知において、送信ビームＢ１の俯角θ１は、受信ビームＢ２の俯角θ２よりも小さい。これにより、ソナー装置１は、海底ＳＢ付近のターゲットを、より正確に識別できる。以下、シミュレーションを用いて、この効果について、より詳細に説明する。
【００６２】
［シミュレーション］
シミュレーション条件として、軸方向に１２素子、円周方向に２０素子の計２４０素子の超音波振動子を表面に有する、円筒形の送受波器を使用した。受信ビーム（ステアリング方向）の俯角θ２は１５度、水深は１０ｍ、海底は平坦であるとした。また、送受波器を中心とする俯角が１５度の方向に沿って、送受波器から２０ｍ、２５ｍ、２８ｍの各位置に、−４０ｄＢの強度のターゲット（魚）が配置されているとした。
【００６３】
上記のシミュレーション条件下で、実施例１として、ステアリング方向Ｄ２の俯角θ２よりも５度上方の俯角θ１を有する送信方向Ｄ１に送信ビームＢ１を送信する構成を、計算機によって形成した。実施例１で得られたＰＰＩ画像を、図６に示す。図７は、実施例１及び後述する比較例における送信ビームＢ１の送波指向性を示すグラフである。
【００６４】
また、実施例２として、ステアリング方向Ｄ２よりも１０度上方の送信方向Ｄ１に送信ビームＢ１を送信する構成を、計算機によって形成した。実施例２で得られたＰＰＩ画像を、図８に示す。図９は、実施例２及び後述する比較例における送信ビームＢ１の送波指向性を示すグラフである。比較例として、ステアリング方向Ｄ２と同じ方向に送信ビームを送信する構成を、計算機によって形成した。比較例で得られたＰＰＩ画像を、図１０に示す。図１１は、比較例における送信ビームの送波指向性を示すグラフである。図１１に示す比較例の送波指向性は、図７及び図９において示されている比較例の送波指向性と同一である。
【００６５】
図６〜図１１を参照して、実施例１、実施例２、及び比較例の結果から分かるように、送信ビームＢ１の俯角θ１を、ステアリング方向Ｄ２の俯角θ２よりも小さくすることで、海底からのエコー信号の影響を低減できる。即ち、実施例１では、ＰＰＩ画像において、各位置のターゲットのエコー像ＦＥ１１，ＦＥ２１，ＦＥ３１は、何れも、海底のエコー像ＳＢＥ１と明確に区別されている。同様に、実施例２では、ＰＰＩ画像において、各位置のターゲットのエコー像ＦＥ１２，ＦＥ２２，ＦＥ３２は、何れも、海底のエコー像ＳＢＥ２と明確に区別されている。一方、比較例では、ＰＰＩ画像において、３つのターゲットのうち、海底から最も遠くに配置されたターゲットのエコー像ＦＥ１３は、海底のエコー像ＳＢＥ３と明確に識別されている。しかしながら、残りの２つのターゲットのエコー像は、エコー像ＳＢＥ３にマスクされてしまい、当該エコー像ＳＢＥ３と区別することができない。
【００６６】
尚、図６（実施例１の結果）と図８（実施例２の結果）とを比べると分かるように、送信ビームＢ１のシフト量（θ２−θ１）、即ち、送信方向Ｄ１の俯角θ１とステアリング方向Ｄ２の俯角θ２との角度差を大きくするほど、ターゲットのエコー像における、海底からのエコー信号の影響を、より低減できる。より具体的には、シフト量（θ２−θ１）の大きい実施例２では、エコー像ＳＢＥ２からのエコー像ＦＥ３２の距離が大きい。
【００６７】
尚、送信ビームＢ１のシフト量（θ２−θ１）を大きくしすぎると、ステアリング方向Ｄ２におけるＳＬ（source level）が低下してしまい、ターゲットのエコー信号の感度が落ちてしまう。このため、送信ビームＢ１のシフト量（θ２−θ１）は、ユーザが任意に調整できるパラメータとしてもよい。この場合、送信ビームＢ１をシフトさせることによって低下したターゲットのエコー信号の感度を、ルックアップテーブル等によって自動的に補正するようなアルゴリズムが、ソナー装置１に組み込まれていてもよい。
【００６８】
以上より、ソナー装置１によると、ターゲットについて、より明確な識別が可能となっている。ターゲットのより明確な識別が可能である理由を、以下に更に詳細に説明する。
【００６９】
図１２は、ソナー装置１における受信ビームＢ２と送信ビームＢ１との関係を示すグラフである。図１２において、グラフＧ１は、送信ビームＢ１の特性を示している。また、グラフＧ２は、受信特性（受信ビームＢ２の特性）を示している。また、グラフＧ３は、ターゲットからの受信強度を示している。また、グラフＧ４は、海底ＳＢからの信号強度（ノイズ強度）を示している。
【００７０】
図１２に示すように、ソナー装置１は、送信ビームＢ１の俯角θ１を、ステアリング方向Ｄ２の俯角θ２よりも小さくすることで、ノイズ（海底ＳＢからのエコー信号）の受信感度を下げつつ、ステアリング方向Ｄ２に存在するターゲットからのエコー信号のエコー強度を、より正確に計測できる。このように、ステアリング方向Ｄ２は、ターゲットの存在する方向のままにし、送信方向Ｄ１をステアリング方向Ｄ２と異ならせることで、ターゲットからの信号強度が高い状態で、このエコー信号の検出が可能である。この場合、海底ＳＢからのエコー信号は、送信ビームＢ１に関するゼロ点に位置する。よって、海底からのエコー信号がターゲットのエコー信号をマスクすることを、より一層抑制できる。
【００７１】
また、ソナー装置１によると、受信ビーム形成部７は、相関行列Ｒと、ステアリングベクトルａ（θ）とを用いて、受信ビームＢ２を形成する。一例として、受信ビーム形成部７は、適応ビームフォーミング法を用いて、受信ビームＢ２を生成する。このような構成であれば、受信ビームＢ２のビーム幅、即ち分解能を、より狭くすることができる。その結果、受信ビーム形成部７は、複数のターゲットＦ１，Ｆ２，Ｆ３を、より明確に識別できる。仮に、単に送受信ビームＢ１，Ｂ２の俯角θ１，θ２を互いに同量だけ小さくした場合、海底ＳＢからのエコー信号の受信感度低下とともに、ターゲットＦ１，Ｆ２，Ｆ３からのエコー信号の受信感度も低下する。特に、適応ビームフォーミング法によって受信ビームＢ２が形成されている場合、この受信感度の低下量が大きいので、ターゲットＦ１，Ｆ２，Ｆ３の検出が、困難となる。しかしながら、前述したように、受信ビームＢ２の俯角θ２は変化させず、送信ビームＢ１の俯角θ１を、俯角θ２より小さくなるようにシフトさせている。これにより、適応ビームフォーミング法で受信ビームＢ２が形成されている場合でも、上述の受信感度の低下を極めて小さくできる。その結果、ソナー装置１は、ターゲットＦ１，Ｆ２，Ｆ３を、より明確に識別できる。
【００７２】
また、ソナー装置１によると、受信ビーム形成部７は、受信ビームＢ２のサイドローブを低減させるような方向に、送信ビームＢ１を送信させる。これにより、海底ＳＢからのエコー信号は、受信ビーム形成部７で受信され難くなる。よって、海底ＳＢからのエコー信号がターゲットＦ１，Ｆ２，Ｆ３のエコー信号をマスクすることを、より確実に抑制できる。
【００７３】
また、ソナー装置１によると、送信ビームＢ１の俯角θ１と受信ビームＢ２の俯角θ２との関係について、角度差（θ２１−θ１１）は、角度差（θ２２−θ１２）よりも小さい｛角度差（θ２１−θ１１）＜角度差（θ２２−θ１２）｝。このような構成により、ソナー装置１は、俯角θに拘わらず、ターゲットＦ１，Ｆ２，Ｆ３を識別する精度の低下を、抑制できる。
【００７４】
また、ソナー装置１によると、送受波器２において、水中に超音波を送信する複数の超音波振動子と、ターゲットからの受信信号を受信する複数の超音波振動子とは、共通している。このような構成により、超音波の発信位置と、受信信号の受信位置とを一致させることができる。その結果、ソナー装置１は、ターゲットを、より正確に探知できる。
【００７５】
以上、本発明の実施形態について説明したけれども、本発明はこれらに限定されず、本発明の趣旨を逸脱しない限りにおいて種々の変更が可能である。
【００７６】
（１）例えば、上記実施形態において、受信ビーム形成部７は、ＭＵＳＩＣ法、ＥＳＰＲＩＴ法、又はＰｒｏｎｙ法等の他の超解像法を用いて、受信ビームを形成してもよい。
【００７７】
（２）また、上記実施形態では、超解像法を用いて受信ビームを形成する形態を例に説明している。しかしながら、この通りでなくてもよい。例えば、ソナー装置の受信ビーム形成部は、マルチビーム法（ビームフォーマ法）を用いて受信ビームを形成してもよい。マルチビーム法の場合、ディジタル化された受信信号に対して、遅延処理を行うことで、各受信信号の位相を整相する。また、整相された各受信信号に対して、ガウス関数又はハニング窓等によって決定されるウェイト値が乗算される。そして、これらの受信信号が合成されることによって、方位毎に指向性の強い受信信号（受信ビーム）が、生成される。
【００７８】
この場合の受信ビームと送信ビームとの関係を、図１３に示す。図１３には、送信ビームの方向を受信ビームの方向に対して上方にシフトした場合の、送受信を含めた合成ビームＢＭ１が、実線で示されている。合成ビームＢＭ１は、ビーム幅Ｗ１を有している。また、図１３には、送信ビームの方向と受信ビームの方向とが同じである場合の、送受信を含めた合成ビームＢＭ２が、破線で示されている。合成ビームＢＭ２は、ビーム幅Ｗ２を有している。ビーム幅Ｗ１は、ビーム幅Ｗ２よりも狭いので、方位分解能が高いことが分かる。尚、角度φ＝（９０−θ）である。このように、送信ビームＢ１の俯角θ１を受信ビームＢ２の俯角θ２よりも小さくすることで、マルチビーム法を用いたソナー装置は、ターゲットを、より明確に識別できる。
【００７９】
図１４は、図１３の各ビームのうちの、合成ビームＢＭ１，ＢＭ２を抜き出した図である。図１４に示すように、合成ビームＢＭ１は、合成ビームＢＭ２に比べて、サイドローブの極大レベルが低くなっている。このように、合成ビームＢＭ１のサイドローブを低減することができる。尚、送受波器２がリニアアレイを用いて構成されている場合、送信ビームＢ１の俯角θ１と受信ビームＢ２の俯角θ２との角度差であるシフト量（θ２−θ１）を、合成ビームＢＭ２の第１零点と第２零点との角度幅の半値程度に設定することが好ましい。これにより、ソナー装置は、ステアリング方向の感度を大きく落とすことなく、サイドローブの極大レベルを効果的に低減できる。即ち、サイドローブキャンセラとしての機能を発揮することが可能である。
【００８０】
（３）また、上記実施形態において、送信方向とステアリング方向との差であるシフト量（θ２−θ１）は、固定値であってもよいし、調整可能な値であってもよい。海底の底質が固いほど、海底からのエコー信号の信号強度は高くなるため、例えば、海底からのエコー信号の信号強度を自動的に計測し、この信号強度に合わせて送信ビームのシフト量を調整してもよい。より具体的には、海底からのエコー信号の信号強度が大きいほど、送信ビームのシフト量を大きくしてもよい。その他にも、ステアリング方向が水平方向に近いほど、送信ビームのシフト量を大きくすることもできる。
【００８１】
（４）また、送信ビームの俯角は、受信ビームの俯角よりも小さければよく、受信ビームの俯角は、上述の実施形態の例に限定されない。
【００８２】
（５）また、上記実施形態では、送受波器が、円筒状である形態を例に説明した。しかしながら、この通りでなくてもよい。送受波器は、例えば、平面アレイを用いて形成されていてもよい。
【００８３】
（６）また、上記実施形態では、水中探知装置として、ソナー装置を例に説明した。しかしながら、この通りでなくてもよい。例えば、本発明は、魚群探知機等の他の水中探知装置に適用されてもよい。
【符号の説明】
【００８４】
１                  ソナー装置（水中探知装置）
４                  送信ビーム制御部
７                  受信ビーム形成部
１０                信号処理装置
Ｂ１                送信ビーム
Ｂ２                受信ビーム
Ｄ２                ステアリング方向
Ｆ１，Ｆ２，Ｆ３    ターゲット
θ１，θ２          俯角
【図１】
2014157083.tif 000004
【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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【図２３】
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【図２４】
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【図２５】
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