(57)【要約】  【課題】  漁業者の経験に依らず且つばらつきが少ない魚群の魚量情報を定量的に算出可能な水中探知装置を提供する。【解決手段】  船体７から水中の所定の方向に超音波信号を送信する送信部３と、前記送信された超音波信号に起因する魚群ＦＳ内からの反射エコーを受信ビームにより受信する受信部４と、前記受信ビームの信号を処理する信号処理部５とを備える。信号処理部５が、受信ビームにより得られる入力換算音響強度ＰM2を所定の三次元方向に積分することによって、前記魚群ＦＳの魚量情報を算出する。【選択図】      図２
2006105701.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
船体から水中の所定の方向に超音波信号を送信する送信部と、
前記送信された超音波信号に起因する魚群内からの反射エコーを受信ビームにより受信する受信部と、
前記受信ビームの信号を処理する信号処理部と、を備え、
前記信号処理部が、前記受信ビームにより得られるデータを所定の三次元方向に積分することによって前記魚群の魚量情報を算出することを特徴とする水中探知装置。
【請求項２】
前記受信部が、所定の二次元方向に受信ビームを形成可能であって、
前記信号処理部による前記データの積分が、前記二次元方向と前記二次元方向に交差する所定の一次元方向との三次元方向に行なわれることを特徴とする請求項１に記載の水中探知装置。
【請求項３】
前記所定の二次元方向が、船体の前方水平方向に延びる第１軸と前記船体から前記第１軸に対して水平方向に直交する方向に延びる第２軸とを含む第１面上の第１水平軸と、前記第１水平軸に対して第１面上で直交する第２水平軸と前記船体から鉛直下方に延びる第３軸とを含む第３面上の下方軸と、を含む面に略沿う方向であって、
前記所定の一次元方向が、前記船体の進行方向であることを特徴とする請求項２に記載の水中探知装置。
【請求項４】
前記第１水平軸が前記第２軸であって、且つ前記下方軸が前記第３軸であることを特徴とする請求項３に記載の水中探知装置。
【請求項５】
前記第１水平軸が前記第２軸であって、且つ前記下方軸が前記第３軸に対して交差する軸であることを特徴とする請求項３に記載の水中探知装置。
【請求項６】
前記第１水平軸が前記第２軸に対して交差する軸であって、且つ前記下方軸が前記第３軸であることを特徴とする請求項３に記載の水中探知装置。
【請求項７】
前記第１水平軸が前記第２軸に対して交差する軸であって、且つ前記下方軸が前記第３軸に対して交差する軸であることを特徴とする請求項３に記載の水中探知装置。
【請求項８】
前記所定の二次元方向が、船体の前方水平方向に延びる第１軸と前記船体から前記第１軸に対して水平方向に直交する方向に延びる第２軸とを含む第１面に対して交差し且つ前記船体の周りに形成される傘型面に略沿う方向であって、
前記所定の一次元方向が、前記船体の進行方向であることを特徴とする請求項２に記載の水中探知装置。
【請求項９】
前記所定の二次元方向が、船体の前方水平方向に延びる第１軸に対して前記船体から水平方向に直交する方向に延びる第２軸と前記船体から鉛直下方に延びる第３軸とを含む第２面に略沿う方向であって、
前記所定の一次元方向が、前記船体から鉛直下方に延びる第３軸を略中心として前記第２面を回転させる方向であることを特徴とする請求項２に記載の水中探知装置。
【請求項１０】
前記所定の二次元方向が、船体の前方水平方向に延びる第１軸と前記船体から前記第１軸に対して水平方向に直交する方向に延びる第２軸とを含む第１面に対して交差し且つ前記船体の周りに形成される傘型面に略沿う方向であって、
前記所定の一次元方向が、前記第１面と前記傘型面とが交差する角度を変化させる方向であることを特徴とする請求項２に記載の水中探知装置。
【請求項１１】
前記所定の二次元方向が、船体の前方水平方向に延びる第１軸と前記船体から前記第１軸に対して水平方向に直交する方向に延びる第２軸とを含む第１面上の第１水平軸と、前記第１水平軸に対して第１面上で直交する第２水平軸と前記船体から鉛直下方に延びる第３軸とを含む第３面上で前記第３軸に対して交差する下方軸と、を含む面に略沿う方向であって、前記所定の一次元方向が、前記第３軸と前記下方軸とが交差する角度を変化させる方向であることを特徴とする請求項２に記載の水中探知装置。
【請求項１２】
前記データが、送受信された超音波信号の拡散減衰及び吸収減衰を補正した入力換算音響強度であることを特徴とする請求項１〜７のいずれか１項に記載の水中探知装置。
【請求項１３】
水中の所定の方向に超音波ビームを送信するステップと、
前記送信された超音波信号に起因する魚群内からの反射エコーを受信ビームにより受信するステップと、
前記受信ビームにより得られるデータを所定の三次元方向に積分することによって前記魚群の魚量情報を算出するステップと、を有することを特徴とする魚群の魚量情報の算出方法。
【請求項１４】
水中の所定の二次元方向に超音波のビームを送信するステップと、
前記送信された超音波信号に起因する魚群内からの反射エコーを受信ビームにより受信するステップと、
前記受信ビームにより得られるデータを前記二次元方向と前記二次元方向に交差する所定の一次元方向とに積分することによって前記魚群の魚量情報を算出するステップと、を有することを特徴とする魚群の魚量情報の算出方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、超音波信号を送信し、受波ビームを形成して魚群を探知するスキャニングソナーや水底探査ソナー装置等の水中探知装置に関し、とくに、魚群の魚量情報を算出する水中探知装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
水中に存在する魚群を探知する手段として、魚群探知機やスキャニングソナー等の音響機器が用いられている（例えば、特許文献１及び特許文献２参照）。魚群探知機は船体に設けられ、船体の鉛直下方に向けて超音波のビームを送信することによって船体の下方を走査し、船体の下方に存在する魚群を探知する。スキャニングソナーも同様に船体に設けられるが、船体周囲の水中に向けて超音波のビームを送信することによって船体の周囲を走査し、船体の周囲の水中に存在する魚群を探知する。これらの音響機器による走査で魚群を探知した場合、探知した魚群の所定断面が走査画像として表示される。
【０００３】
ところが、漁業者の立場からみると、魚群の所定断面の走査画面のみでなく魚群の魚量情報を把握することが操業効率向上の観点から好ましい。そこで、所定のティルト角で全周囲方向に走査を行う水平モードと、略垂直方向の扇形の断面を走査する垂直モードとを備えるスキャニングソナーが提案されている（例えば、特許文献２参照）。このスキャニングソナーによれば、水平モードの走査画像及び垂直モードの走査画像をそれぞれ表示する。漁業者は、これらの走査画像に基づいて魚群全体の形状を把握し、魚群の魚量情報を推定している。なお、魚群探知機は、船体の鉛直下方に向けて超音波のビームを送信するので魚群全体の形状を把握することができない。
【０００４】
【特許文献１】特公昭４８−２６２９９号公報
【特許文献２】特開２００３−２０２３７０号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、水平モードの走査画像及び垂直モードの走査画像に基づいて魚群全体の形状等を把握する場合、両画像の対応関係を把握することは容易ではなく、漁業者の経験に依るところが大きい。また、これらの両画像に基づいて魚群の魚量情報を推測しても、推測する者が異なれば異なった判断をする可能性が高いため、得られたデータのバラツキも大きい。さらに、かかる魚群の魚量情報の推測値は定性的な結果しか得られない。
【０００６】
本発明は、上記問題点に鑑みてなされたものであって、漁業者の経験に依らず且つばらつきが少ない魚群の魚量情報を定量的に算出可能な水中探知装置及びその方法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及び効果】
【０００７】
本発明において、以下の特徴は単独で、若しくは、適宜組合わされて備えられている。前記課題を解決するための本発明に係る水中探知装置は、船体から水中の所定の方向に超音波ビームを送信する送信部と、前記送信された超音波信号に起因する魚群内からの反射エコーを受信ビームにより受信する受信部と、前記受信ビームの信号を処理する信号処理部と、を備え、前記信号処理部が、前記受信ビームにより得られるデータを所定の三次元方向に積分することによって前記魚群の魚量情報を算出することを特徴とする。
【０００８】
ここで、「送信部」及び「受信部」は、それぞれが送信又は受信の機能を有する別体の装置のみでなく、送信及び受信のいずれの機能も有する一体の装置をも含む。
【０００９】
本発明に係る魚群の魚量情報の算出方法は、水中の所定の方向に超音波ビームを送信するステップと、前記送信された超音波信号に起因する魚群内からの反射エコーを受信ビームにより受信するステップと、前記受信ビームにより得られるデータを所定の三次元方向に積分することによって前記魚群の魚量情報を算出するステップと、を有している。
【００１０】
これらによると、魚群内から反射した反射エコーについて形成された受信ビームから得られるデータを三次元方向に積分を行い、かかる結果に基づいて魚群の魚量情報を算出する。従って、水平モードの走査画像及び垂直モードの走査画像の対応関係を把握することなく、確度が高い魚群の魚量情報を容易に把握することができる。また、このようにして算出された魚群の魚量情報は、かかる魚量情報の推測者に依存することもないので安定したデータが得られる。
【００１１】
本発明に係る水中探知装置において、前記受信部が、所定の二次元方向に受信ビームを形成可能であってもよい。このとき、前記信号処理部による前記データの積分が、前記二次元方向と前記二次元方向に交差する所定の一次元方向との三次元方向に行なわれる。
【００１２】
本発明に係る魚群の魚量情報の算出方法は、水中の所定の二次元方向に超音波のビームを送信するステップと、前記送信された超音波信号に起因する魚群内からの反射エコーを受信ビームにより受信するステップと、前記受信ビームにより得られるデータを前記二次元方向と前記二次元方向に交差する所定の一次元方向とに積分することによって前記魚群の魚量情報を算出するステップと、を有している。
【００１３】
これらによると、所定の二次元方向とこの二次元方向に交差する一次元方向とに積分することによって魚群の魚量情報を把握することができる。従って、超音波は所定の二次元方向に送受信できればよいので、水中探知装置の構成を簡易な構成にすると共に高い確度で魚群の魚量情報を把握することができる。
【００１４】
本発明に係る水中探知装置において、前記所定の二次元方向が、船体の前方水平方向に延びる第１軸と前記船体から前記第１軸に対して水平方向に直交する方向に延びる第２軸とを含む第１面上の第１水平軸と、前記第１水平軸に対して第１面上で直交する第２水平軸と前記船体から鉛直下方に延びる第３軸とを含む第３面上の下方軸と、を含む面に略沿う方向であってもよい。このとき、前記所定の一次元方向が、前記船体の進行方向であることが好ましい。
【００１５】
この構成によると、上記二次元方向に受信ビームを形成しつつ船体を走行させることによって、受信ビームにより得られるデータを容易に三次元方向に積分することができる。とくに、一次元方向が船体の進行方向なので、船体をいずれかの方向に走行させるのみでよい。なお、確度が高い結果を得る観点から船体を蛇行させずに直進させることが好ましい。
【００１６】
本発明に係る水中探知装置において、前記第１水平軸が、前記第２軸及び前記第２軸に対して交差する軸のうちいずれかであってもよい。このとき、前記下方軸が、前記第３軸、前記第３軸に対して交差する軸のうちいずれかであることが好ましい。即ち、第１水平軸と下方軸との組み合わせが、第２軸と第３軸との組み合わせ、第２軸と第３軸に対して交差する軸との組み合わせ、第２軸に対して交差する軸と第３軸との組み合わせ、第２軸に対して交差する軸と第３軸に対して交差する軸との組み合わせの４通りが該当する。
【００１７】
これらによると、第１水平軸と下方軸との組み合わせが上記いずれの組み合わせであっても、円筒座標系を用いた魚量情報の算出原理を適用または応用することによって、魚群の魚量情報を容易に算出することができる。
【００１８】
本発明に係る水中探知装置において、前記所定の二次元方向が、船体の前方水平方向に延びる第１軸と前記船体から前記第１軸に対して水平方向に直交する方向に延びる第２軸とを含む第１面に対して交差し且つ前記船体の周りに形成される傘型面に略沿う方向であってもよい。このとき、前記所定の一次元方向が、前記船体の進行方向であることが好ましい。
【００１９】
ここで、「船体の周りに形成される」とは、必ずしも船体の周囲全体に形成されるものに限られず、船体の周囲一部にのみ形成されるものも含む。即ち、「傘型面」には、船体の全周囲に形成された面のみでなく扇形状の面も含む。
【００２０】
この構成によると、船体の回りに形成される傘型面に略沿う方向に受信ビームを形成しつつ船体を走行させることによって、受信ビームにより得られるデータを容易に三次元方向に積分することができる。とくに、一次元方向が船体の進行方向なので、船体をいずれかの方向に走行させるのみでよい。なお、確度が高い結果を得る観点から船体を蛇行させずに直進させることが好ましい。
【００２１】
本発明に係る水中探知装置において、前記所定の二次元方向が、船体の前方水平方向に延びる第１軸に対して前記船体から水平方向に直交する方向に延びる第２軸と前記船体から鉛直下方に延びる第３軸とを含む第２面に略沿う方向であってもよい。このとき、前記所定の一次元方向が、前記船体から鉛直下方に延びる第３軸を略中心として前記第２面を回転させる方向であることが好ましい。
【００２２】
この構成によると、船体から鉛直下方に延びる仮想の鉛直軸を含む仮想の鉛直断面に略沿う方向に受信ビームを形成しつつ、かかる受信ビームを形成する方位を順次変更することによって、受信ビームにより得られるデータを三次元方向に積分することができる。船体を走行させることなく受信ビームにより得られるデータを三次元方向に積分できる点において有効である。
【００２３】
本発明に係る水中探知装置において、前記所定の二次元方向が、船体の前方水平方向に延びる第１軸と前記船体から前記第１軸に対して水平方向に直交する方向に延びる第２軸とを含む第１面に対して交差し且つ前記船体の周りに形成される傘型面に略沿う方向であってもよい。このとき、前記所定の一次元方向が、前記第１面と前記傘型面とが交差する角度を変化させる方向であることが好ましい。
【００２４】
この構成によると、船体の周りに形成される傘型面に略沿う方向に受信ビームを形成しつつ、第１面に対して傘型面が交差する角度（即ち、第１面に対する超音波ビームの送受信方向の角度）を変えて受信ビームを形成することによって、受信ビームにより得られるデータを三次元方向に積分することができる。この場合においても、船体を走行させることなく受信ビームにより得られるデータを三次元方向に積分できる点において有効である。
【００２５】
本発明に係る水中探知装置において、前記所定の二次元方向が、船体の前方水平方向に延びる第１軸と前記船体から前記第１軸に対して水平方向に直交する方向に延びる第２軸とを含む第１面上の第１水平軸と、前記第１水平軸に対して第１面上で直交する第２水平軸と前記船体から鉛直下方に延びる第３軸とを含む第３面上で前記第３軸に対して交差する下方軸と、を含む面に略沿う方向であってもよい。このとき、前記所定の一次元方向が、前記第３軸と前記下方軸とが交差する角度を変化させる方向であることが好ましい。
【００２６】
この構成によると、第１水平軸と、第２水平軸と第３軸とを含む第３面上で第３軸に対して交差する下方軸とを含む面に略沿う方向に受信ビームを形成しつつ、第３軸と下方軸とが交差する角度を変えて受信ビームを形成することによって、受信ビームにより得られるデータを三次元方向に積分することができる。この場合においても、船体を走行させることなく受信ビームにより得られるデータを三次元方向に積分できる点において有効である。
【００２７】
本発明に係る水中探知装置において、前記データが、送受信された超音波信号の拡散減衰及び吸収減衰を補正した入力換算音響強度であることが好ましい。これにより、具体的な構成が実現できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２８】
本発明では、魚群の魚量情報を推定するためのアルゴリズムが構築された水中探知装置を提案する。本発明における水中探知装置は、円筒座標系を用いた算出原理及び球座標系を用いた算出原理のうちいずれかの原理に基づいて魚群ＦＳの魚量情報を推定することができる。とくに、魚群ＦＳをなす単体魚の後方散乱強度Ｔｓが分かれば、魚群ＦＳ内の尾量Ｎをも推定することができる。
【００２９】
なお、「単体魚の後方散乱強度Ｔｓ」とは、単体魚に向けて超音波信号を送信したとき、この単体魚からの反射エコーから得られる指標であり、魚体長のおおよそ２乗に比例することが明らかとなっている。
【００３０】
また、本発明における「魚群ＦＳの魚量情報」とは、ターゲットである魚群ＦＳ内の尾量Ｎの概数及びこの尾量Ｎとこの魚群ＦＳをなす単体魚の後方散乱強度Ｔｓとを乗じた値（Ｎ×Ｔｓ）を意味し、これらのうちいずれか一方及び両方を含む概念である。即ち、本発明に係る水中探知装置は、魚群ＦＳ内の尾量Ｎのみを算出可能なもの、魚群ＦＳ内の（Ｎ×Ｔｓ）のみを算出可能なもの並びにＮ及び（Ｎ×Ｔｓ）のいずれも算出可能なもののうちいずれであっても良い。
【００３１】
以下、円筒座標系を用いた魚量情報の算出原理及びこれを利用した実施例を第１の実施形態として、球座標系を用いた魚量情報の算出原理及びこれを利用した実施例を第２の実施形態として各図を参照しつつ説明する。
【００３２】
なお、各実施形態を説明する前提として、本発明の水中探知装置では、三次元方向に探査可能なスキャニングソナー（マルチビームソナー）を用いている。また、スキャニングソナーは、図１の制御ブロック図に図示される構成を備えるものとする。
【００３３】
図１において、スキャニングソナー１は、トランスデューサ２と送信部３と受信部４と信号処理部５と表示部６とを有している。トランスデューサ２は、後述する船体７の底部に設けられる送受波器である。送信部３は、トランスデューサ２から超音波信号をビーム状に送信させる（以下、この超音波信号を「超音波ビーム」と称する）。受信部４は、所定の二次元方向に受信ビームを形成し、魚群などの物標から反射した反射エコーを受信ビームにより受信する。信号処理部５は、受信ビームの信号を処理し、魚群の魚量情報を算出する。信号処理部５における処理については、第１の実施形態及び第２の実施形態において詳しく説明する。信号処理部５で処理される信号としては、入力換算音響強度などが該当する。表示部６は、通常のソナーのエコー画像を表示すると共に受信ビームの入力換算音響強度ＰM2、及び信号処理部５で算出された魚群の魚量情報などを表示する。
【００３４】
ここで、「所定の二次元方向に受信ビームを形成し」とは、一次元的に絞った多数の受信ビームを二次元の多方位に向けて同時に形成する態様及び一つの受信ビームを二次元の多方位に向けて順次形成する態様のいずれであっても良い。
【００３５】
また、第１の実施形態及び第２の実施形態について説明する前提として、後述する船体７の底部に設けられたトランスデューサ２の位置を各座標系の原点Ｏ、船体７の前方水平方向（即ち、走行中の船体７であれば船体７の進行方向）に延びる仮想軸をｘ軸（第１軸）、船体７からｘ軸に対して水平方向に直交する仮想軸をｙ軸（第２軸）、原点Ｏから鉛直下方に向けて延びる仮想の鉛直軸をｚ軸（第３軸）とする。
【００３６】
さらに、ｘ軸とｙ軸とを含む仮想の平面をｘｙ平面（第１面）、ｘ軸とｚ軸とを含む仮想の平面をｘｚ平面（第２面）及びｙ軸とｚ軸とを含む仮想の平面をｙｚ平面と称する。また、超音波ビームの送信方向をｒ方向とする。ここで、ｒ方向は、ｘｙ平面に対して角度θを成すと共にｘｙ平面への正射影がｘ軸に対して時計回りに角度φを成す方向である。
【００３７】
（第１の実施形態）
円筒座標系を用いた魚量情報の算出原理、及びこの原理を利用した第１〜第５実施例の５つの態様について、以下に説明する。なお、第１の実施形態において、船体７はｘ軸の正方向に進行する。
【００３８】
円筒座標系を用いた魚量情報の算出原理
円筒座標系を用いた魚量情報の算出原理について、図２及び図３を参照しつつ説明する。ここで、図２は垂直円筒座標系のモデル図、図３はトランスデューサ２（原点Ｏ）と魚群ＦＳとの位置関係を示す図である。
【００３９】
図２に図示されるように、トランスデューサ２から海水中に向けて送受された超音波のビームが魚群ＦＳ内から反射し、かかる反射エコーを受信ビームにより受信した場合について考える。なお、トランスデューサ２の形状は球形とする。即ち、これは、送信信号強度Ｐ02及び等価ビーム幅Ψについて、ｒ方向がｘｙ平面に対して成す角度θの依存性を考慮しないことを意味する。
【００４０】
図２において、超音波のビームは、ｘｙ平面に対する角度（即ち、ｙｚ平面上におけるｙ軸に対する角度）θを変化させながら、海水中の深さ方向に向けて送信される。ここで、角度θの範囲は、０≦θ≦π／２〔ｒａｄ〕である。また、船体７は、ｙｚ平面上に超音波のビームを走査させつつｘ軸の正方向に走行する。
【００４１】
図３に図示されるように、船体７から送信される超音波ビームの位置座標を（ｒ，θ，ｘ）とすると、魚群ＦＳの密度はｎ（ｒ，θ，ｘ）で表される。このとき、魚群内の総尾量Ｎは、以下の数１で表すことができる。なお、以下に説明する本実施例において、超音波ビームの位置座標に関し、ｒ方向ｋ番目をｒ（ｋ），θ方向ｉ番目をθ（ｉ），ｘ方向ｊ番目をｘ（ｊ）と表示する。
〔数１〕
Ｎ＝∫ｎ（ｒ，θ，ｘ）・ｒｄｒｄθｄｘ
【００４２】
トランスデューサ２から（ｒ，θ，ｘ）方向に向けて送信された送信ビームが魚群ＦＳから反射した場合、この反射エコーを受信ビームにより受信した場合に得られる入力換算音響強度ＰM2は、信号処理部５で演算処理される。以下に、信号処理部５における入力換算音響強度ＰM2の一連の処理について説明する。
【００４３】
入力換算音響強度ＰM2（ｒ，θ，ｘ）は、ｙｚ平面上におけるｙ軸に対するビーム角度θ，ｒ方向の距離ｒ及びｘ軸方向の距離ｘから、以下の数２で表すことができる。
【数２】
2006105701.tif 000003
なお、ここで、Ｐ02は送信信号強度、αは吸収減衰係数、ｈは点広がり関数である。
【００４４】
ここで、点広がり関数について、図４（ａ）及び図４（ｂ）を参照しつつ説明する。図４（ａ）は、（θ，φ）方向に超音波ビームを２次元連続走査した場合の座標系を、図４（ｂ）は、点ターゲットを２次元連続スキャンした場合のイメージング結果を表している。一つの超音波ビームの送受積指向性関数をｂ（θ，φ；θ''，φ''）と表現する。これは、（θ，φ）方向に送受信された超音波ビームの（θ''，φ''）方向の規格化された感度を表している。また、超音波ビームを２次元連続スキャンを行うことは、超音波ビームの送受信方向（θ，φ）が異なる多数の超音波ビームで３次元空間を探知することと等価である。
【００４５】
図４（ａ）において、パルス幅τを用いて点ターゲット（位置；（ｒ'，θ'，φ'）、反射率１）を探知し、（θ，φ）方向の超音波ビームで得られた規格化受波強度データ時系列Ｐ2（ｒ，θ，φ）を点（ｒ，θ，φ）にプロットし、３次元画像化する。その結果、超音波ビームは、図４（ｂ）に図示されるようにビーム幅とパルス幅に応じた広がりを持つ。この広がりを点広がり関数と呼び、ｈ（ｒ'，θ'，φ'；ｒ，θ，φ）と表現する。なお、規格化受波強度とは、受波強度信号にＴＶＧ及び送信音圧を補正する（ｒ4Ｐ0-2（ｅ2αr）2を乗ずる）ことによって、ターゲットの反射強度に変換された量である。また、最大値を１で規格化した点ターゲットからの３次元レスポンスと考えることもできる。
【００４６】
点広がり関数ｈ（ｒ'，θ'，φ'；ｒ，θ，φ）は、送受積指向性関数ｂ（θ，φ；θ''，φ''）と送信エンベロープ関数Ｒ（ｒ）とを用いて以下の数３のように表せる。なお、エンベロープ関数Ｒ（ｒ）は以下の数４である。
【数３】
2006105701.tif 000004
【数４】
2006105701.tif 000005
即ち、（ｒ'，θ'，φ'）に存在する点ターゲットの広がりは、距離ｒ方向にはパルス幅で広がり、ｒ及び仮想の鉛直面の方向には、ｂ（θ，φ；θ'，φ'）で広がる。
【００４７】
点広がり関数を体積積分すると、ｃτ／２×ｒ2×Ψとなる。Ψは等価ビーム幅とよばれ、ｂ（θ，φ；θ'，φ'）の二次元関数で定義される。円筒座標系を用いた場合の点広がり関数の体積積分値も同じ値となると考えて良い。
【００４８】
そして、マルチビームソナーで、体積要素毎に求めた入力換算音響強度ＰM2をr，θ，ｘ方向に連続的に取得して積分する。ここで、数２にＴＶＧ（Time Varied Gain）及び体積要素ｒｄｒｄθｄｘを乗じて、ｒ，θ，ｘ方向に積分することによって以下の数５が導かれる。なお、数２にＴＶＧを乗ずるのは、超音波の拡散減衰及び吸収減衰を補正するためである。超音波は、トランスデューサ２から魚群ＦＳまでの距離の２乗に比例して減衰する（ｒ2：拡散減衰）と共に、海水の粘性によっても減衰する（ｅ2αr：吸収減衰）からである。
【数５】
2006105701.tif 000006
ここで、数５中の[]内の積分は、以下の数６のように展開できる。
【数６】
2006105701.tif 000007
ただし、ｒがｃτ／２よりも十分に大きいと仮定する。なお、ｃは音速、τはパルス幅、Ψは等価ビーム幅を示している。数５に、数６及び数１を代入すると、以下の数７が導かれる。
【数７】
2006105701.tif 000008
数７を変形すると、以下の数８が導かれる。
【数８】
2006105701.tif 000009
【００４９】
実際のマルチビームソナーの受信信号は、超音波のビームがｙｚ平面上を走査しつつ、船体７がｘ軸方向に走行した場合のデータが得られる。ここで、ｙｚ平面上を走査するビームピッチをΔθ、ｘ軸方向の送信間隔をΔｘ、r方向のビームピッチをΔｒとし、θ方向ｉ番目、ｘ軸方向ｊ番目、ｒ方向ｋ番目の超音波ビームの出力をＰMi,j,kとすると、上記数８は、以下の数９で表される。
【数９】
2006105701.tif 000010
【００５０】
数９より、円筒座標系を用いた魚量情報の算出原理に基づいて、魚群ＦＳをなす単体魚の後方散乱強度Ｔｓとかかる魚群ＦＳ内の尾量Ｎとの積が導かれる。また、魚群Ｆｓをなす単体魚の後方散乱強度Ｔｓが分かれば、魚群ＦＳ内の尾量Ｎが導かれる。このようにして、魚群ＦＳ内の尾量Ｎの概数が把握できる。
【００５１】
なお、上記算出原理の説明において、トランスデューサ２の形状が球形の場合について説明したが、これに限られず、円筒形であっても良い。この場合、送信信号強度Ｐ02及び等価ビーム幅Ψについて、ｒ方向がｘｙ平面に対して成す角度θの依存性を考慮する必要がある。従って、数２はこれに代えて数１０で、数５はこれに代えて数１１で、数６はこれに代えて数１２で、数７はこれに代えて数１３で、数８はこれに代えて数１４で、数９はこれに代えて数１５で、それぞれ、表される。ただし、送信信号強度をＰ02（θ）、等価ビーム幅をΨ（θ）とする。これは、送信信号強度Ｐ02及び等価ビーム幅Ψが、ｘｙ平面に対する各ビームの角度θに依存することを意味する。
【数１０】
2006105701.tif 000011
【数１１】
2006105701.tif 000012
【数１２】
2006105701.tif 000013
【数１３】
2006105701.tif 000014
【数１４】
2006105701.tif 000015
【数１５】
2006105701.tif 000016
【００５２】
第１実施例
第１実施例は、垂直円筒座標系における魚量情報の算出方法についての実施例である。従って、円筒座標系を用いた魚量情報の算出原理をそのまま適用することができる。円筒座標系を用いた魚量情報算出原理を利用した第１実施例について、図２、図５及び図６を参照しつつ説明する。図５は、超音波のビームが、ｙｚ平面上を０≦θ≦π／２〔ｒａｄ〕の範囲内で走査した場合における受信ビームのデータ図である。図５に図示されるデータは、受信ビームの入力換算音響強度ＰM2を示しており、受信ビームの入力換算音響強度ＰM2が大きいほど図５に図示される濃度が大きくなる。図６は、船体７の進行を示したモデル図である。なお、トランスデューサ２の形状は球形とする。
【００５３】
図２において、船体７は、ｙｚ平面上に超音波のビームを走査させつつｘ軸の正方向に向けて走行している。この場合における魚群ＦＳの魚量情報を算出するアルゴリズムについて説明する。
【００５４】
先ず、マルチビームソナー１による測定領域、即ち、超音波ビームの送受信方向を設定する。ここで、送受信方向を、ｒ（ｋ），θ（ｉ），ｘ（ｊ）で表すこととする。なお、ｒ方向の測定範囲は０≦ｒ≦超音波ビームの探知距離〔ｍ〕、θ方向の測定範囲は０≦θ≦π／２〔ｒａｄ〕、ｘ軸方向の測定範囲は０≦ｘ≦船体７の走行距離〔ｍ〕である。
【００５５】
ｙｚ平面に沿って送信された超音波ビームが魚群ＦＳ内から反射し、この反射エコーを受信ビームにより受信した場合、この受信ビームについての入力換算音響強度ＰM2は、図５に図示される濃淡で表示されたデータとして表示部６に表示される。
【００５６】
次に、かかる受信ビームについての入力換算音響強度ＰM2を二次元エコー積分する。ここで、トランスデューサ２が球形なので、ｙｚ平面上の二次元エコー積分値Ｓjは、以下の数１６で表される。
【数１６】
2006105701.tif 000017
ＰMi,j,k2は各体積要素（ｒ，θ，ｘ）毎の入力換算音響強度、Ｐ02は送信信号強度を示している。
【００５７】
そして、船体７の進行方向について、送信ビームの送信間隔（受信ビームの受信間隔）を算出する。ここで、送信ビームの送信間隔は、図６に図示される距離Δｘ（ｊ）であり、以下の数１７で表される。
【数１７】
2006105701.tif 000018
数１７中の係数１８５２は、マイル（Ｎ.Ｍ.）からメートルへの単位の変換係数である。また、Ｌａｔjは、各ｊのときの船体の緯度（分）、Ｌｏｎｇjは、各ｊのときの船体の経度（分）である。
【００５８】
そして、得られたｙｚ平面上の二次元エコー積分値Ｓjを船体の進行方向に体積積分する。このとき、数９を適用すると、以下の数１８が導かれる。
【数１８】
2006105701.tif 000019
【００５９】
従って、魚体のＴｓが分かれば、魚群ＦＳ内の尾量Ｎの概数を算出することができる。なお、算出された魚群ＦＳ内の尾量Ｎの概数は、表示部６に表示される。
【００６０】
なお、本実施例において、ｘｙ平面に対する超音波ビームの角度θを、０≦θ≦π／２〔ｒａｄ〕の範囲で変化させながら超音波のビームを送受信しているが、角度θの範囲はこれに限られるものではなく、０≦θ≦π〔ｒａｄ〕の範囲内であれば、任意の範囲で変化させるものであってもよい。ただし、トランスデューサ２の形状が円筒形、θ＝π／２〔ｒａｄ〕の方位に超音波ビームを送受信できないので、０≦θ＜π／２〔ｒａｄ〕及びπ＜θ≦π〔ｒａｄ〕の範囲内で、任意に変化させることとなる。
【００６１】
また、本実施例において、ｘｙ平面に対する角度θを変化させながら超音波のビームが送受信されることを前提として魚群ＦＳの魚量情報を算出しているがこれに限られるものではない。例えば、ｘｚ平面に対する角度（ｙｚ平面上におけるｚ軸に対する角度）を変化させることを前提として算出してもよい。
【００６２】
また、本実施例において、ソナー装置としてスキャニングソナー１を用いているが、これに限られるものではなく、ｙｚ平面上に沿った方向（船体７の鉛直下方から両舷方向）に幅広く連続的に探査できる水底探査ソナーで-あっても良い。水底探査ソナーは、例えば、特開２００１−９９９１４号公報で開示されたものが該当する。なお、水底探査ソナーを用いた場合、ｙｚ平面上におけるｙ軸に対する各ビームの角度θの範囲は固定ではなく、例えば、ｚ軸に対して両側にπ／４〔ｒａｄ〕ずつ（π／２〔ｒａｄ〕）、ｚ軸に対して両側にπ／３〔ｒａｄ〕ずつ（２π／３〔ｒａｄ〕）のように設定が可能である。また、トランスデューサとしては平面一次元振動子アレイ（短冊状振動子を並べたもの）や、湾曲一次元アレイ（平面一次元振動子アレイを振動子配列方向に湾曲させたもの）等が用いられる。
【００６３】
また、本実施例において、トランスデューサ２が球形の場合について説明したが、これに限られず、円筒形であっても良い。この場合、数１６はこれに代えて数１９で、数１８はこれに代えて数２０で、それぞれ、表される。ただし、数送信信号強度をＰ02（θ）、等価ビーム幅をΨ（θ）とする。
【数１９】
2006105701.tif 000020
【数２０】
2006105701.tif 000021
【００６４】
第２実施例
第２実施例は、上下斜め円筒座標系における魚量情報の算出方法についての実施例である。従って、円筒座標系を用いた魚量情報の算出原理をそのまま適用することはできず、修正が必要である。なお、トランスデューサ２の形状は球形とする。円筒座標系を用いた魚量情報算出原理を利用した第２実施例について、図７〜図１１を参照しつつ説明する。
【００６５】
図７は、上下斜め円筒座標系のモデル図である。図７において、船体７は、スラント面Ｈ１上に超音波のビームを走査させつつｘ軸の正方向に向けて走行している。以下に、上下斜め円筒座標系において魚量情報を算出するアルゴリズムについて説明する。なお、「スラント面Ｈ１」とは、ｙ軸とｚ軸に対してｘ軸の正方向に向けて所定の角度ｑで交差するｘｚ平面上のｗ軸（下方軸）とを含む仮想の平面をいう。
【００６６】
超音波のビームは、スラント面Ｈ１上におけるｙ軸に対する角度θ1を変化させながら、海水中の深さ方向に向けて送信される。なお、角度ｑは、−π／２≦ｑ≦π／２〔ｒａｄ〕の範囲内で設定され、角度θ1は、０≦θ1≦π〔ｒａｄ〕の範囲内で変化する角度である。
【００６７】
図８において、魚群ＦＳの密度をｎ（ｒ，θ1，ｘ）とすると、魚群内の総尾量Ｎは、以下の数２１で表すことができる。なお、図８はトランスデューサ（原点Ｏ）と魚群ＦＳとの位置関係を示す図である。
【数２１】
2006105701.tif 000022
【００６８】
トランスデューサ２から（ｒ，θ1，ｘ）方向に向けて送信された送信ビームが魚群ＦＳ内から反射し、この反射エコーを受信ビームにより受信した場合に得られる入力換算音響強度ＰM2は、信号処理部５で演算処理される。以下に、信号処理部５における入力換算音響強度Ｐの一連の処理について説明する。
【００６９】
入力換算音響強度ＰM2（ｒ，θ1，ｘ）は、スラント面Ｈ１上におけるｙ軸に対するビーム角度θ1、ｒ方向の距離ｒ及びｘ軸方向の距離ｘから、以下の数２２で表すことができる。なお、Ｐ02は送信信号強度、αは吸収減衰係数、ｈは広がり関数である。
【数２２】
2006105701.tif 000023
【００７０】
そして、マルチビームソナーで、体積要素毎に求めた入力換算音響強度ＰM2を、r，θ1，ｘ方向に連続的に取得して積分する。ここで、数２２にＴＶＧ（Time Varied Gain）及び体積要素を乗ずると、以下の数２３が導かれる。
【数２３】
2006105701.tif 000024
ここで、数２３中の[]内の積分は、以下の数２４のように展開できる。
【数２４】
2006105701.tif 000025
ただし、ｒがｃτ／２よりも十分に大きいと仮定する。なお、ｃは音速、τはパルス幅、Ψは等価ビーム幅を示している。数２３に、数２４及び数２１を代入すると、以下の数２５が導かれる。
【数２５】
2006105701.tif 000026
数２５を変形すると、以下の数２６が導かれる。
【数２６】
2006105701.tif 000027
【００７１】
実際のマルチビームソナーの受信信号は、船体７がｘ軸正方向に走行しながら、スラント面Ｈ１上を走査したデータが得られる。ここで、スラント面Ｈ１上におけるビームピッチをΔθ1、ｘ軸方向の送信間隔をΔｘ、r方向のビームピッチをΔｒとし、θ1方向ｉ番目、ｘ軸方向ｊ番目、ｒ方向ｋ番目の超音波ビームの出力をＰMi,j,kとすると、上記数２６は、以下の数２７で表される。
【数２７】
2006105701.tif 000028
【００７２】
このように、上下斜め円筒座標系における魚群ＦＳの魚量情報の算出原理は、上述の円筒座標系を用いた魚量の算出原理を応用したものである。
【００７３】
第２実施例においては、先ず、マルチビームソナー１による測定領域、即ち、超音波ビームの送受信方向を設定する。ここで、送受信方向を、ｒ（ｋ），θ1（ｉ），ｘ（ｊ）で表すこととする。なお、θ1方向の測定範囲は０≦θ1≦π〔ｒａｄ〕、ｘ軸方向の測定範囲は０≦ｘ≦船体７の走行距離〔ｍ〕、ｒ方向の測定範囲は０≦ｒ≦超音波ビームの探知距離〔ｍ〕である。
【００７４】
ここで、仮想のスラント面Ｈ１に沿って送信された超音波ビームが魚群ＦＳから反射し、この反射エコーを受信ビームにより受信した場合、この受信ビームについての入力換算音響強度ＰM2は、図９に図示されるように濃淡で表されたデータが表示部６に表示される。ここで、図９は、超音波のビームが、スラント面Ｈ１上を０≦θ1≦π〔ｒａｄ〕の範囲内で走査した場合における受信ビームのデータ図である。
【００７５】
次に、仮想のスラント面Ｈ１に沿って送信された超音波ビームの受信ビームについての入力換算音響強度ＰM2を二次元エコー積分する。ここで、トランスデューサ２が球形なので、スラント面Ｈ１上の二次元エコー積分値Ｓjは、以下の数２８で表される。
【数２８】
2006105701.tif 000029
第１実施例における説明同様、ＰMi,j,k2は各体積要素（ｒ，θ1，ｘ）毎の入力換算音響強度、Ｐ02は送信信号強度を示している。
【００７６】
次に、送受信される超音波ビームの送受信間隔を算出する。ここで、船体７からの超音波ビームの送受信間隔Δｘjは、図１０に図示される距離または図１１
に図示される各ｊ間の間隔であり、以下の数２９で表される。ここで、図９は、受信ビームの入力換算音響強度ＰM2を示しており、受信ビームの入力換算音響強度ＰM2が大きいほど図９に図示される濃度が大きくなる。また、図１０は、船体７の進行を示したモデル図である。さらに、図１１は、魚群内の尾量を算出するための演算式を説明するための概念図である。
【数２９】
2006105701.tif 000030
【００７７】
第１実施例における説明同様、数２９中の係数１８５２は、マイル（Ｎ.Ｍ.）からメートルへの単位の変換係数である。また、Ｌａｔjは、各ｊのときの船体の緯度（分）、Ｌｏｎｇjは、各ｊのときの船体の経度（分）である。
【００７８】
そして、得られたスラント面Ｈ１上の二次元エコー積分値Ｓjを船体の進行方向に体積積分する。このとき、数２７を応用適用すると、以下の数３０が導かれる。
【数３０】
2006105701.tif 000031
【００７９】
従って、魚体のＴｓが分かれば、魚群ＦＳ内の尾量Ｎの概数を算出することができる。なお、第１の原理同様、算出された魚群ＦＳ内の尾量Ｎの概数は、表示部６に表示される。
【００８０】
なお、本実施例において、スラント面Ｈ１上におけるｙ軸に対する角度θ1を、０≦θ1≦π〔ｒａｄ〕の範囲で変化させながら超音波のビームを送受信しているが、角度θ1の範囲はこれに限られるものではなく、０≦θ1≦π／２〔ｒａｄ〕の範囲で変化させるものであってもよい。即ち、０≦θ1≦π〔ｒａｄ〕の範囲内において任意の範囲で変化させるものであればよい。
【００８１】
また、本実施例において、スラント面Ｈ１上におけるｙ軸に対する角度θ1を変化させながら超音波のビームが送受信されることを前提として魚群ＦＳの魚量情報を算出しているがこれに限られるものではない。例えば、スラント面上Ｈ１におけるｗ軸に対する角度を変化させることを前提として算出してもよい。
【００８２】
また、本実施例において、トランスデューサ２が球形の場合について説明したが、これに限られず、円筒形であっても良い。この場合、数２２はこれに代えて数３１で、数２３はこれに代えて数３２で、数２４はこれに代えて数３３で、数２５はこれに代えて数３４で、数２６はこれに代えて数３５で、数２７はこれに代えて数３６で、数２８はこれに代えて数３７で、数３０はこれに代えて数３８で、それぞれ、表される。ただし、送信信号強度をＰ02（θ）、等価ビーム幅をΨ（θ）とする。これは、送信信号強度Ｐ02及び等価ビーム幅Ψが、ｘｙ面に対する各ビームの角度θに依存することを意味する。
【数３１】
2006105701.tif 000032
【数３２】
2006105701.tif 000033
【数３３】
2006105701.tif 000034
【数３４】
2006105701.tif 000035
【数３５】
2006105701.tif 000036
【数３６】
2006105701.tif 000037
【数３７】
2006105701.tif 000038
【数３８】
2006105701.tif 000039
【００８３】
第３実施例
第３実施例は、左右斜め円筒座標系における魚量情報の算出方法についての実施例である。この場合、第２実施例と同様に、上述の円筒座標系を用いた魚量情報の算出原理を応用することができる。なお、トランスデューサ２の形状は球形とする。円筒座標系を用いた魚量情報算出原理を利用した第３実施例について、以下に、図１２及び図１３を参照しつつ説明する。
【００８４】
図１２は左右斜め円筒座標系のモデル図、図１３は図１２に図示される船体７の進行を示す平面図である。図１２において、船体７は、斜め垂直面Ｈ２上に超音波のビームを走査させつつｘ軸の正方向に向けて走行している。この場合における魚群ＦＳの魚量情報を算出するアルゴリズムについて説明する。なお、「斜め垂直面Ｈ２」とは、ｘ軸に対して水平方向且つ時計回りに所定の角度φで交差する仮想のｓ軸とｚ軸とを含む仮想の平面をいう。即ち、ｓ軸は、ｙ軸に対して水平方向且つ時計周りに角度（φ―π／２）〔ｒａｄ〕で交差するｘｙ平面上の仮想軸である。
【００８５】
超音波のビームは、斜め垂直面Ｈ２上におけるｓ軸に対する角度θ2を変化させながら、海水中の深さ方向に向けて送信される。なお、角度θ2は、０≦θ2≦π〔ｒａｄ〕の範囲内で変化する角度である。
【００８６】
超音波のビームが斜め垂直面Ｈ２上を走査して受信ビームの入力換算音響強度ＰM2が得られた場合、上述の円筒座標系を用いた魚量情報の算出原理を応用することができる。以下に、左右斜め円筒座標系において魚量情報を算出するアルゴリズムについて説明する。
【００８７】
先ず、マルチビームソナー１による測定領域、即ち、超音波ビームの送受信方向を設定する。ここで、送受信方向を、ｒ（ｋ），θ2（ｉ），ｘ（ｊ）で表すこととする。なお、ｒ方向の測定範囲は０≦ｒ≦超音波ビームの探知距離〔ｍ〕、θ2方向の測定範囲は０≦θ2≦π〔ｒａｄ〕、ｘ軸方向の測定範囲は０≦ｘ≦船体７の走行距離〔ｍ〕である。
【００８８】
ここで、斜め垂直面Ｈ２に沿って送信された超音波ビームが魚群ＦＳ内から反射し、この反射エコーを受信ビームにより受信した場合、この受信ビームについての入力換算音響強度ＰM2は、第１実施例で説明した図５または第２実施例で説明した図９のように濃淡で表示されたデータとして表示部６に表示される（本実施例においては図示を省略する）。
【００８９】
次に、仮想の斜め垂直面Ｈ２に沿って送信された超音波ビームの受信ビームについての入力換算音響強度ＰM2を二次元エコー積分する。ここで、トランスデューサ２が球形なので、斜め垂直面Ｈ２上の二次元エコー積分値Ｓjは、以下の数３９で表される。
【数３９】
2006105701.tif 000040
第１実施例及び第２実施例同様、ＰMi,j,k2は各体積要素（ｒ，θ2，ｘ）毎の入力換算音響強度、Ｐ02は送信信号強度を示している。
【００９０】
次に、送受信される超音波ビームの送受信間隔を算出する。ここで、船体７からの超音波ビームの送受信間隔Δｘjは、Δｘj＝Δｘｃｏｓ（φ−π／２）である（図１３参照）。なおΔｘは、船体の速度ｖ、送信ビームの送信周期をΔｔとしたとき、Δｘ＝ｖ×Δｔで表される。      
【００９１】
なお、Δｘjの算出方法は複数存在し、以下の数４０のように、ｘ方向の各ｊ毎に送信間距離を緯度及び経度から算出することもできる。
【数４０】
2006105701.tif 000041
数４０中の係数１８５２は、マイル（Ｎ.Ｍ.）からメートルへの単位の変換係数、Ｌａｔjは各ｊのときの船体の緯度（分）、Ｌｏｎｇjは各ｊのときの船体の経度（分）である。
【００９２】
そして、得られた斜め垂直面Ｈ２上の二次元エコー積分値Ｓjを船体の進行方向に体積積分する。このとき、数９を応用すると、以下の数４１が導かれる。
【数４１】
2006105701.tif 000042
【００９３】
従って、魚体のＴｓが分かれば、魚群ＦＳ内の尾量Ｎの概数を算出することができる。なお、算出された魚群ＦＳ内の尾量Ｎの概数は、表示部６に表示される。
【００９４】
なお、本実施例において、斜め垂直面Ｈ２上におけるｓ軸に対する角度θ2を、０≦θ2≦π〔ｒａｄ〕の範囲で変化させながら超音波のビームを送受信しているが、角度θの範囲はこれに限られるものではなく、０≦θ2≦π〔ｒａｄ〕の範囲内において任意の範囲で変化させるものであってもよい。
【００９５】
また、本実施例において、斜め垂直面Ｈ２上におけるｓ軸に対する角度θ2を変化させながら超音波のビームが送受信されることを前提として魚群ＦＳの魚量情報を算出しているがこれに限られるものではない。例えば、ｚ軸に対する斜め垂直面Ｈ２上の角度を変化させることを前提として算出してもよい。
【００９６】
また、本実施例において、ｓ軸は、ｙ軸に対して時計回りに交差するものに限られず、反時計回りに交差するものであっても良い。この場合、ｙ軸に対する時計回りの角度（φ−π／２）〔ｒａｄ〕は、（φ−π／２）＜０となる。
【００９７】
また、本実施例において、トランスデューサ２が球形の場合について説明したが、これに限られず、円筒形であっても良い。この場合、数３９はこれに代えて数４２で、数４１はこれに代えて数４３で、それぞれ、表される。ただし、数送信信号強度をＰ02（θ）、等価ビーム幅をΨ（θ）とする。これは、送信信号強度Ｐ02及び等価ビーム幅Ψが、ｘｙ面に対する角度θに依存することを意味する。
【数４２】
2006105701.tif 000043
【数４３】
2006105701.tif 000044
【００９８】
第４実施例
第４実施例は、上下左右斜め円筒座標系における魚量情報の算出方法についての実施例である。この場合、第２及び第３実施例と同様に、上述の円筒座標系を用いた魚量情報の算出原理を応用することができる。なお、トランスデューサ２の形状は球形とする。円筒座標系を用いた魚量情報算出原理を利用した第４実施例について、以下に、図１４及び図１５を参照しつつ説明する。
【００９９】
図１４は上下左右斜め円筒座標系のモデル図、図１５は図１４に図示される船体７の進行を示す平面図である。図１４において、船体７は、斜めスラント面Ｈ３上に超音波のビームを走査させつつｘ軸の正方向に向けて走行している。この場合における魚群ＦＳの魚量情報を算出するアルゴリズムについて説明する。なお、「斜めスラント面Ｈ３」とは、ｘ軸に対して水平方向且つ時計回りに所定の角度φで交差する仮想のｓ軸と、ｓ軸に対してｘｙ平面上で直交する軸（図示せず）とｚ軸とを含む仮想の平面（第３面）上においてｘ軸に対して所定の角度ｑで交差するｗ’軸（下方軸）とを含む仮想の平面をいう。なお、第３実施例で説明した通り、ｓ軸は、ｙ軸に対して水平方向且つ時計周りに角度（φ―π／２）〔ｒａｄ〕で交差するｘｙ平面上の仮想軸である。
【０１００】
超音波のビームは、斜めスラント面Ｈ３上におけるｓ軸に対する角度θ3を変化させながら、海水中の深さ方向に向けて送信される。なお、角度θ3は、０≦θ3≦π〔ｒａｄ〕の範囲内で変化する角度である。
【０１０１】
超音波のビームが斜めスラント面Ｈ３上を走査して受信ビームの入力換算音響強度ＰM2が得られた場合、上述の円筒座標系を用いた魚量情報の算出原理を応用することができる。以下に、上下左右斜め円筒座標系において魚量情報を算出するアルゴリズムについて説明する。
【０１０２】
先ず、マルチビームソナー１による測定領域、即ち、超音波ビームの送受信方向を設定する。ここで、送受信方向を、ｒ（ｋ），θ3（ｉ），ｘ（ｊ）で表すこととする。なお、ｒ方向の測定範囲は０≦ｒ≦超音波ビームの探知距離〔ｍ〕、θ3方向の測定範囲は０≦θ3≦π〔ｒａｄ〕、ｘ軸方向の測定範囲は０≦ｘ≦船体７の走行距離〔ｍ〕である。
【０１０３】
ここで、斜めスラント面Ｈ３に沿って送信された超音波ビームが魚群ＦＳ内から反射し、この反射エコーを受信ビームにより受信した場合、この受信ビームについての入力換算音響強度ＰM2は、第１実施例で説明した図５または第２実施例で説明した図９のように濃淡で表示されたデータとして表示部６に表示される（本実施例においては図示を省略する）。
【０１０４】
次に、仮想の斜めスラント面Ｈ３に沿って送信された超音波ビームの受信ビームについての入力換算音響強度ＰM2を二次元エコー積分する。ここで、トランスデューサ２が球形なので、斜め垂直面Ｈ２上の二次元エコー積分値Ｓjは、以下の数４４で表される。
【数４４】
2006105701.tif 000045
第１〜第３実施例同様、ＰMi,j,k2は各体積要素（ｒ，θ3，ｘ）毎の入力換算音響強度、Ｐ02は送信信号強度を示している。
【０１０５】
次に、送受信される超音波ビームの送受信間隔を算出する。ここで、船体７からの超音波ビームの送受信間隔Δｘjは、Δｘj＝Δｘｃｏｓ（φ−π／２）である（図１５参照）。なおΔｘは、船体の速度ｖ、送信ビームの送信周期をΔｔとしたとき、Δｘ＝ｖ×Δｔで表される。      
【０１０６】
なお、Δｘjの算出方法は複数存在し、以下の数４５のように、ｘ方向の各ｊ毎に送信間距離を緯度及び経度から算出することもできる。
【数４５】
2006105701.tif 000046
数４５中の係数１８５２は、マイル（Ｎ.Ｍ.）からメートルへの単位の変換係数、Ｌａｔjは各ｊのときの船体の緯度（分）、Ｌｏｎｇjは各ｊのときの船体の経度（分）である。
【０１０７】
そして、得られた斜めスラント面Ｈ３上の二次元エコー積分値Ｓjを船体の進行方向に体積積分する。このとき、数９を応用すると、以下の数４６が導かれる。
【数４６】
2006105701.tif 000047
【０１０８】
従って、魚体のＴｓが分かれば、魚群ＦＳ内の尾量Ｎの概数を算出することができる。なお、算出された魚群ＦＳ内の尾量Ｎの概数は、表示部６に表示される。
【０１０９】
なお、本実施例において、斜めスラント面Ｈ３上におけるｓ軸に対する角度θ3を、０≦θ3≦π〔ｒａｄ〕の範囲で変化させながら超音波のビームを送受信しているが、角度θ3の範囲はこれに限られるものではなく、０≦θ3≦π〔ｒａｄ〕の範囲内において任意の範囲で変化させるものであってもよい。
【０１１０】
また、本実施例において、斜めスラント面Ｈ３上におけるｓ軸に対する角度θ3を変化させながら超音波のビームが送受信されることを前提として魚群ＦＳの魚量情報を算出しているがこれに限られるものではない、例えば、ｗ’軸に対する斜めスラント面Ｈ３上の角度を変化させることを前提として算出しても良い。
【０１１１】
また、本実施例において、ｓ軸は、ｙ軸に対して時計回りに交差するものに限られず、反時計回りに交差するものであっても良い。この場合、ｙ軸に対する時計回りの角度（φ−π／２）〔ｒａｄ〕は、（φ−π／２）＜０となる。
【０１１２】
また、本実施例において、トランスデューサ２が球形の場合について説明したが、これに限られず、円筒形であっても良い。この場合、数４４はこれに代えて数４７で、数４６はこれに代えて数４８で、それぞれ、表される。
【数４７】
2006105701.tif 000048
【数４８】
2006105701.tif 000049
【０１１３】
第５実施例
第５実施例は、傘型面水平移動座標系における魚量情報の算出方法についての実施例である。この場合、第２〜第４実施例と同様に、上述の円筒座標系を利用した魚量情報の算出原理を応用することができる。なお、トランスデューサ２の形状は球形とする。円筒座標系を用いた魚量情報算出原理を利用した第５実施例について、以下に、図１６〜図２０を参照しつつ説明する。
【０１１４】
図１６は傘型面水平移動座標系のモデル図、図１７はトランスデューサ２（原点Ｏ）と魚群ＦＳとの位置関係を示す図である。
【０１１５】
図１６において、船体７は、船体７の周囲に形成される仮想の傘型面Ｈ４上に超音波のビームを走査させつつｘ軸の正方向に向けて走行している。この場合における魚群ＦＳの魚量情報を算出するアルゴリズムについて説明する。なお、「傘型面Ｈ４」とは、角度θを一定に保ちつつ角度φを変化させることによって船体７の周囲に形成される仮想の面をいう。ここで、角度θは、０≦θ≦π／２〔ｒａｄ〕の範囲内で設定される角度である。
【０１１６】
超音波のビームは、ｘｚ平面に対する時計回りの角度φを変化させながら、海水中の深さ方向に向けて送信される。なお、角度φは、−π／２≦φ≦π／２〔ｒａｄ〕の範囲内で変化する角度である。
【０１１７】
図１７において、魚群ＦＳの密度をｎ（ｒ，φ，ｘ）とすると、魚群内の総尾量Ｎは、以下の数４９で表すことができる。
【数４９】
2006105701.tif 000050
トランスデューサから（ｒ，φ，ｘ）方向に向けて送信された送信ビームが魚群ＦＳから反射し、この反射エコーを受信ビームにより受信した場合、この受信ビームにより得られる入力換算音響強度ＰM2は、信号処理部５で演算処理される。以下に、信号処理部５における入力換算音響強度ＰM2の一連の処理について説明する。
【０１１８】
入力換算音響強度ＰM2（ｒ，φ，ｘ）は、傘型面Ｈ４上におけるｘｚ平面に対する時計回りのビーム角度φ、ビーム送信方向の距離ｒ及びｘ軸方向の距離ｘから、以下の数５０で表すことができる。
【数５０】
2006105701.tif 000051
Ｐ02は送信信号強度、αは吸収減衰係数、ｈは広がり関数である。
【０１１９】
そして、マルチビームソナーで、単位要素毎に求めた入力換算音響強度ＰM2を、r，φ，ｘ方向に連続的に取得して積分する。ここで、数５０にＴＶＧ（Time Varied Gain）及び体積要素を乗ずると、以下の数５１が導かれる。
【数５１】
2006105701.tif 000052
ここで、数５１中の[]内の積分は、以下の数５２のように展開できる。
【数５２】
2006105701.tif 000053
ただし、ｒがｃτ／２よりも十分に大きいと仮定する。なお、ｃは音速、τはパルス幅、Ψは等価ビーム幅を示している。数５１に、数５２及び数４９を代入すると、以下の数５３が導かれる。
【数５３】
2006105701.tif 000054
数５３を変形すると、以下の数５４が導かれる。
【数５４】
2006105701.tif 000055
【０１２０】
実際のマルチビームソナーの受信信号は、船体７がｘ軸正方向に走行しながら、傘型面Ｈ４上を走査したデータが得られる。ここで、傘型面Ｈ４上におけるｘｚ平面に対する時計回りの角度φ方向のビームピッチをΔφ、ｘ軸方向の送信間隔をΔｘ、ｒ方向のビームピッチをΔｒとし、φ方向ｉ番目ｘ軸方向ｊ番目ｒ方向ｋ番目の超音波ビームの出力をＰMi,j,kとすると、上記数５４は、以下の数５５で表される。
【数５５】
2006105701.tif 000056
【０１２１】
このように、傘型面水平移動座標系における魚群ＦＳの魚量情報の算出原理は、上述の円筒座標系を用いた算出原理を応用したものである。
【０１２２】
第５実施例においては、先ず、マルチビームソナー１による測定領域、即ち、超音波ビームの送受信方向を設定する。ここで、送受信方向を、ｒ（ｋ），φ（ｉ），ｘ（ｊ）で表すこととする。なお、φ方向の測定範囲は−π／２≦φ≦π／２〔ｒａｄ〕、ｘ軸方向の測定範囲は０≦ｘ≦船体７の走行距離〔ｍ〕、ｒ方向の測定範囲は０≦ｒ≦超音波ビームの探知距離〔ｍ〕である。
【０１２３】
ここで、仮想の傘型面Ｈ４に沿って送信された超音波ビームが魚群ＦＳから反射し、この反射エコーを受信ビームにより受信した場合、この受信ビームについての入力換算音響強度ＰM2は、図１８に図示されるように濃淡で表されたデータが表示部６に表示される。ここで、図１８は、超音波のビームが、傘型面Ｈ４上を−π／２≦φ≦π／２〔ｒａｄ〕の範囲内で走査した場合における受信ビームのデータ図である。また、図１９は船体７の進行方向と超音波ビームの送信方向ｒとの関係を示したモデル図である。
【０１２４】
次に、仮想の傘型面Ｈ４に沿って送信された超音波ビームの受信ビームについての入力換算音響強度ＰM2を二次元エコー積分する。ここで、トランスデューサ２が球形なので、傘型面Ｈ４上のエコー積分値Ｓjは、以下の数５６で表される。
【数５６】
2006105701.tif 000057
なお、数５６中のＳi,jは、以下の数５７で表される。
【数５７】
2006105701.tif 000058
また、第１及び第２の原理における説明同様、ＰMi,j,k2は各体積要素（ｒ，φ，ｘ）毎の入力換算音響強度、Ｐ02は送信信号強度を示している。
【０１２５】
そして、船体７から送受信される超音波ビームの送受信間隔を算出する。ここで、船体７からの超音波ビームの送受信間隔Δｘjは、図２０に図示される距離であり、以下の数５８で表される。なお、図２０は船体７が進行する様子を示したモデル図である。
【数５８】
2006105701.tif 000059
数５８中の係数１８５２は、マイル（Ｎ.Ｍ.）からメートルへの単位の変換係数である。また、Ｌａｔjは、各ｊのときの船体の緯度（分）、Ｌｏｎｇjは、各ｊのときの船体７の経度（分）である。
【０１２６】
そして、得られた傘型面Ｈ４上の二次元エコー積分値Ｓjを船体７の進行方向に体積積分する。このとき、数９を応用すると、以下の数５９が導かれる。
【数５９】
2006105701.tif 000060
【０１２７】
従って、魚体のＴｓが分かれば、魚群ＦＳ内の尾量の概数を算出することができる。なお、第１〜第４実施例同様、算出された魚群ＦＳ内の尾量Ｎの概数は、表示部６に表示される。
【０１２８】
なお、本実施例において、ｘｙ平面に対する角度θを一定に保ちつつｘｚ平面に対する時計回りの角度φを、−π／２≦φ≦π／２〔ｒａｄ〕の範囲内で変化させながら超音波のビームを送受信しているが、角度φの範囲はこれに限られるものではなく、任意の範囲で変化させるものであってもよい。従って、超音波ビームの送受信範囲を、例えば、π／２≦φ≦３π／２〔ｒａｄ〕の範囲内、０≦φ≦π〔ｒａｄ〕の範囲内、−π≦φ≦０〔ｒａｄ〕の範囲内、さらには、０≦φ≦３π／２〔ｒａｄ〕の範囲内または０≦φ≦２π〔ｒａｄ〕の範囲内で変化させるものであっても良い。
【０１２９】
また、本実施例において、トランスデューサ２が球形の場合について説明したが、これに限られず、円筒形であっても良い。この場合、数５０はこれに代えて数６０で、数５１はこれに代えて数６１で、数５２はこれに代えて数６２で、数５３はこれに代えて数６３で、数５４はこれに代えて数６４で、数５５はこれに代えて数６５で、数５９はこれに代えて数６６で、それぞれ、表される。ただし、送信信号強度をＰ02（θ）、等価ビーム幅をΨ（θ）とする。
【数６０】
2006105701.tif 000061
【数６１】
2006105701.tif 000062
【数６２】
2006105701.tif 000063
【数６３】
2006105701.tif 000064
【数６４】
2006105701.tif 000065
【数６５】
2006105701.tif 000066
【数６６】
2006105701.tif 000067
【０１３０】
（第２の実施形態）
球座標系を用いた魚量情報の算出原理、及びこの原理を利用した第６〜第８実施例の３つの態様について、以下に説明する。
【０１３１】
球座標系を用いた魚量情報の算出原理
球座標系を用いた魚量情報の算出原理について、図２１を参照しつつ説明する。なお、トランスデューサ２の形状は球形とする。ここで、図２１は球座標系のモデル図である。
【０１３２】
図２１に図示されるように、トランスデューサ２から海水中に向けて送受された超音波のビームが魚群ＦＳ内から反射し、この反射エコーを受信ビームにより受信した場合について考える。このとき、超音波のビームは、ｘｙ平面に対する海水中の深さ方向の角度θとｘｚ平面に対する時計回りの角度φとを有する方向に向けて送信されることとなる。ここで、角度θの範囲は、０≦θ≦π／２〔ｒａｄ〕であり、角度φの範囲は、０≦φ≦２π〔ｒａｄ〕である。
【０１３３】
船体７から送受信される超音波のビームの二次元方向は、ｘｙ平面に対する角度θ及びｘｚ平面に対する角度φのいずれか一方の角度を一定として形成される仮想面に沿った方向と考えることができる。そして、次に、ｘｙ平面に対する角度θ及びｘｚ平面に対する角度φのうち一定とされた角度を変化させることによって三次元積分する。なお、ｘｙ平面に対する角度θの範囲は、０≦θ≦π／２〔ｒａｄ〕であり、ｘｚ平面に対する角度φの範囲は、０≦φ≦２π〔ｒａｄ〕である。
【０１３４】
図２１において、魚群ＦＳの密度をｎ（ｒ，θ，φ）とすると、魚群ＦＳ内の総尾量Ｎは、以下の数６７で表すことができる。
【数６７】
2006105701.tif 000068
【０１３５】
また、（ｒ，θ，φ）方向に向けた送信ビームが魚群ＦＳから反射し、この反射エコーを受信ビームにより受信した場合に得られる入力換算音響強度ＰM2は、以下に説明する一連の演算処理によって信号処理部５で処理される。
【０１３６】
入力換算音響強度ＰM2（ｒ，θ，φ）は、ｘｙ平面に対するビーム角度θ，ｘ軸に対するビーム角度φ、時刻の換算距離をｒとして、以下の数６８で表すことができる。
【数６８】
2006105701.tif 000069
なお、ここで、Ｐ02は送信信号強度、αは吸収減衰係数、ｈは点広がり関数である。
【０１３７】
そして、マルチビームソナーで、各体積要素（ｒ，θ，φ）毎の入力換算音響強度ＰM2をr，θ，φ方向に連続的に取得して積分する。ここで、数６８にＴＶＧ及び体積要素を乗じてｒ，θ，φ方向に積分すると、以下の数６９が導かれる。
【数６９】
2006105701.tif 000070
ここで、数６９中の[]内の積分は、以下の数７０のように展開できる。
【数７０】
2006105701.tif 000071
【０１３８】
なお、数７０の３行目において、ｈの有限性（ｒ方向にはｃτ／２の広がり）を考慮し、ｈの実行積分範囲においてｒは一定値ｒ’とみなし積分の外に出した。また、ｒがｃτ／２よりも十分に大きいと仮定する。なお、ｃは音速、τはパルス幅、Ψは等価ビーム幅を示している。数６９に、数６７及び数７０を代入すると、以下の数７１が導かれる。
【数７１】
2006105701.tif 000072
数７１を変形すると、以下の数７２が導かれる。
【数７２】
2006105701.tif 000073
【０１３９】
数７２より、球座標系を用いた魚量情報の算出原理に基づいて、魚群ＦＳをなす単体魚の後方散乱強度Ｔｓとかかる魚群ＦＳ内の尾量Ｎとの積が導かれる。また、魚群ＦＳをなす単体魚の後方散乱強度Ｔｓが分かれば、魚群ＦＳ内の尾量Ｎが導かれる。このようにして、魚群ＦＳ内の尾量Ｎの概数が把握できる。
【０１４０】
なお、上記算出原理の説明において、トランスデューサ２が球形の場合について説明したが、これに限られず、円筒形であっても良い。この場合、送信信号強度Ｐ02及び等価ビーム幅Ψについて、ｒ方向がｘｙ平面に対して成す角度θの依存性を考慮する必要がある。従って、数６８はこれに代えて数７３で、数６９はこれに代えて数７４で、数７０はこれに代えて数７５で、数７１はこれに代えて数７６で、数７２はこれに代えて数７７で、それぞれ、表される。ただし、数送信信号強度をＰ02（θ）、等価ビーム幅をΨ（θ）とする。
【数７３】
2006105701.tif 000074
【数７４】
2006105701.tif 000075
【数７５】
2006105701.tif 000076
【数７６】
2006105701.tif 000077
【数７７】
2006105701.tif 000078
【０１４１】
なお、トランスデューサ２が円筒形である場合において、角度θ及び角度φ方向の離散化を導入した場合について説明する。数７３の両辺にｒ4（ｅ2αr）2・sinθ／（Ｐ02（θ）Ψ（θ））を乗じて積分すると、以下の数７８が導かれる。
【数７８】
2006105701.tif 000079
【０１４２】
なお、数７８において、積分の中の１／ｒ2及びΨ（θ）の項をそれぞれ、１／ｒ2＝１／ｒ'2、Ψ（θ）＝Ψ（θ’）と近似し、ｒ，θ，φの積分外に出している。数７８を変形すると数７９が導かれる。
【数７９】
2006105701.tif 000080
【０１４３】
実際のマルチビームソナーから送信した超音波ビームが魚群ＦＳ内から反射し、この反射エコーを受信ビームにより受信した場合のデータは、（θ，φ）方向のビーム方向ｒに沿って得られる。ここで、θ方向のビームピッチをΔθ、φ方向のビームピッチをΔφとし、θ方向ｉ番目φ方向ｊ番目の超音波ビームの出力をＰMi,j(r)とすると、数７９は、以下の数８０となる。
【数８０】
2006105701.tif 000081
数８０の右辺はエコー積分を表している。ＴＶＧ補正r4（ｅ2αr）2、角度θを補正した後の積分、さらにＴｓが既知の場合は、エコー積分値より総尾量Ｎを求めることができる。さらに、距離ｒ方向の離散化を導入すると、数８０は、以下の数８１で表せる。
【数８１】
2006105701.tif 000082
【０１４４】
数８１より、球座標系を用いた魚量情報の算出原理に基づいて、魚群ＦＳをなす単体魚の後方散乱強度Ｔｓとかかる魚群ＦＳ内の尾量Ｎとの積が導かれる。また、魚群Ｆｓをなす単体魚の後方散乱強度Ｔｓが分かれば、魚群ＦＳ内の尾量Ｎが導かれる。このようにして、魚群ＦＳ内の尾量Ｎの概数が把握できる。
【０１４５】
第６実施例
第６の実施例について、図２１〜図２３を参照しつつ説明する。ここで、図２２は、超音波のビームがｘ軸とｚ軸とを含む仮想の鉛直平面Ｈ５上を走査しつつ、走査面である鉛直平面Ｈ５がｙ軸を中心として反時計回りに回転するように、超音波ビームの送信方位が変更されるモデル図である。また、図２３は、鉛直平面Ｈ５に沿って送信された超音波ビームが魚群ＦＳ内から反射し、この反射エコーを受信ビームにより受信した場合におけるデータ図である。図２３に図示されるデータは受信ビームの入力換算音響強度ＰM2を示しており、受信ビームの入力換算音響強度が大きいほど図２３に図示される濃度が大きくなる。なお、トランスデューサ２の形状は円筒形とする。
【０１４６】
図２２において、超音波のビームは、鉛直平面Ｈ５上でｘ軸に対する角度（ｘｙ平面に対する角度）θを変化させながら海水中の深さ方向に向けて送信される。そして、ｚ軸を中心として鉛直平面Ｈ５が回転するように（即ちｘｚ平面に対する角度φが変化するように）、超音波ビームの送信方位が変更されている。
【０１４７】
ここで、ｘｙ平面に対する角度θの範囲は、０≦θ≦π／２〔ｒａｄ〕であり、ｘｚ平面に対する角度φの範囲は、０≦φ≦２π〔ｒａｄ〕である。このように、鉛直平面Ｈ５上を走査しつつｚ軸を中心としてかかる鉛直平面Ｈ５を回転させるように超音波ビームの送受信方位を変更することによって三次元積分することができる。
【０１４８】
超音波のビームが仮想の鉛直平面Ｈ５上を走査し、魚群ＦＳ内からの反射エコーを受信ビームにより受信し、入力換算音響強度ＰM2が得られた場合、球座標系を用いた魚量情報の算出原理に基づいて魚群ＦＳの魚量情報を算出することができる。以下に、このアルゴリズムについて説明する。
【０１４９】
先ず、マルチビームソナーによる測定領域、即ち、超音波ビームの送受信方向を設定する。ここで、送受信方向を、ｒ（ｋ），θ（ｉ），φ（ｊ）で表すこととする。なお、ｒ方向の測定範囲は０≦ｒ≦超音波ビームの探知距離〔ｍ〕、θ方向の測定範囲は０≦θ≦π／２〔ｒａｄ〕、φ方向の測定範囲は−２π≦φ≦０〔ｒａｄ〕、である。
【０１５０】
鉛直平面Ｈ４に沿って送信された超音波ビームが魚群ＦＳ内から反射し、この反射エコーを受信ビームにより受信した場合、この受信ビームについての入力換算音響強度ＰM2は、図２３に図示される濃淡で表示されたデータとして表示部６に表示される。
【０１５１】
次に、かかる受信ビームについての入力換算音響強度ＰM2を二次元エコー積分する。ここで、トランスデューサ２が円筒形なので、鉛直平面Ｈ５上の二次元エコー積分値Ｓjは、以下の数８２で表される。
【数８２】
2006105701.tif 000083
ＰMi,j,k2は各体積要素（θ，φ，ｒ）毎の入力換算音響強度、Ｐ02は送信信号強度を示している。
【０１５２】
そして、鉛直平面Ｈ５がｚ軸を中心として反時計回りに回転するように超音波ビームの送受信方位を変更することによって、仮想鉛直平面Ｈ５上のエコー積分値Ｓjを、ｘｚ平面に対する時計回り角度φが変化する方向に体積積分する。このように、仮想の鉛直平面Ｈ５とかかる鉛直平面Ｈ５が回転する方向（ｘｙ平面に対する角度φを変化させる方向）とに体積積分すると、かかる体積積分値Ｔは、以下の数８３で表される。
【数８３】
2006105701.tif 000084
そして、数８１〜数８３より以下の数８４が導かれる。
【数８４】
2006105701.tif 000085
従って、魚体のＴｓが分かれば、魚群ＦＳ内の尾量Ｎの概数を算出することができる。なお、算出された魚群ＦＳ内の尾量Ｎの概数は、表示部６に表示される。
【０１５３】
なお、本実施例において、ｙｚ平面に対する角度θの範囲を、０≦θ≦π／２〔ｒａｄ〕、ｘｚ平面に対する時計回り角度φの範囲を、−２π≦φ≦０〔ｒａｄ〕の範囲内で変化させながら超音波のビームを送受信しているが、これに限られるものではない。例えば、ｙｚ平面に対する角度θは、０≦θ≦π〔ｒａｄ〕の範囲内における任意の範囲で変化させるものであってもよく、ｘｚ平面に対する時計回り角度φは、０≦φ≦２π〔ｒａｄ〕、―π≦φ≦０〔ｒａｄ〕または０≦φ≦π〔ｒａｄ〕等であっても良い。このような場合であっても三次元積分が可能である。
【０１５４】
また、本実施例において、ｘｚ平面に対する時計回り角度φを基準として考えることによって魚群ＦＳ内の尾量Ｎの概数を算出しているがこれに限られるものではなく、ｘｚ平面に対する反時計回り角度を基準として考えても良い。
【０１５５】
また、本実施例において、トランスデューサ２が円筒形の場合について説明したが、これに限られず、球形であっても良い。この場合、数８２はこれに代えて数８５で、数８４はこれに代えて数８６で、それぞれ、表される。ただし、数送信信号強度をＰ02（θ）、等価ビーム幅をΨ（θ）とする。
【数８５】
2006105701.tif 000086
【数８６】
2006105701.tif 000087
【０１５６】
第７実施例
次に、第７実施例について、図２１、図２４及び図２５を参照しつつ説明する。ここで、図２４は、超音波のビームが船体７の周囲に形成される仮想の傘型面Ｈ６上を走査しつつ、走査面である傘型面Ｈ６がｘｙ平面に対する角度θを変えるように、超音波ビームの送信方位が変更されるモデル図である。また、図２５は、傘型面Ｈ６に沿って送信された超音波ビームが魚群ＦＳ内から反射し、この反射エコーを受信ビームにより受信した場合におけるデータ図である。図２５に図示されるデータは受信ビームの入力換算音響強度ＰM2を示しており、受信ビームの入力換算音響強度が大きいほど図２５に図示される濃度が大きくなる。なお、トランスデューサ２の形状は円筒形とする。
【０１５７】
図２４において、超音波のビームは、ｘｙ平面に対する角度θを所定の角度に保ちつつ、ｘｚ平面に対する時計回り角度φを０≦φ≦２π〔ｒａｄ〕の範囲で変化させながら海水中の深さ方向に向けて送信される。そして、ｘｙ平面に対する角度θが変更するように、超音波ビームの送信方位が変更されている。
【０１５８】
ここで、ｘｚ平面に対する時計回り角度φの範囲は、０≦φ≦２π〔ｒａｄ〕であり、ｘｙ平面に対する角度θの範囲は、０≦θ≦π／２〔ｒａｄ〕である。このように、傘型面Ｈ６上を走査しつつｘｙ平面に対する角度θを変化させることによって超音波ビームの送受信方位を変更することによって三次元積分することができる。
【０１５９】
超音波のビームが傘型面Ｈ６上を走査し、魚群ＦＳ内から反射した反射エコーを受信ビームにより受信し、入力換算音響強度ＰM2が得られた場合、球座標系を用いた魚量情報の算出原理に基づいて魚群ＦＳの魚量情報を算出することができる。以下に、このアルゴリズムについて説明する。
【０１６０】
先ず、マルチビームソナーによる測定領域、即ち、超音波ビームの送受信方向を設定する。ここで、送受信方向を、θ（ｉ），φ（ｊ），r（ｋ）で表すこととする。なお、ｒ方向の測定範囲は０≦ｒ≦超音波ビームの探知距離〔ｍ〕、θ方向の測定範囲は０≦θ≦π／２〔ｒａｄ〕、φ方向の測定範囲は０≦φ≦２π〔ｒａｄ〕、である。
【０１６１】
傘型面Ｈ６に沿って送信された超音波ビームが魚群ＦＳ内から反射し、この反射エコーを受信ビームにより受信した場合、この受信ビームについての入力換算音響強度ＰM2は、図２５に図示される濃淡で表示されたデータとして表示部６に表示される。
【０１６２】
次に、かかる受信ビームについての入力換算音響強度ＰM2を二次元エコー積分する。ここで、トランスデューサ２が円筒形なので、傘型面Ｈ６上の二次元エコー積分値Ｓjは、以下の数８７で表される。
【数８７】
2006105701.tif 000088
ＰMi,j,k2は各体積要素（θ，φ，ｒ）毎の入力換算音響強度、Ｐ02は送信信号強度を示している。
【０１６３】
そして、傘型面Ｈ６がｘｙ平面に対する角度θを変えるように超音波ビームの送受信方位を変更することによって、傘型面Ｈ６上のエコー積分値Ｓjを、ｘｙ平面に対する角度θが変化する方向に体積積分する。このように、仮想の傘型面Ｈ６とｘｙ平面に対する角度θが変化する方向とに体積積分すると、かかる体積積分値Ｔは、以下の数８８で表される。
【数８８】
2006105701.tif 000089
そして、数８１、数８７及び数８８より以下の数８９が導かれる。
【数８９】
2006105701.tif 000090
従って、魚体のＴｓが分かれば、魚群ＦＳ内の尾量Ｎの概数を算出することができる。なお、算出された魚群ＦＳ内の尾量Ｎの概数は、表示部６に表示される。
【０１６４】
なお、本実施例において、ｘz平面に対する時計回り角度φの範囲を、０≦φ≦２π〔ｒａｄ〕、ｘｙ平面に対する角度θの範囲を、０≦θ≦π〔ｒａｄ〕の範囲内で変化させながら超音波のビームを送受信しているが、これに限られるものではない。例えば、ｘｚ平面に対する時計回り角度φは、０≦φ≦２π〔ｒａｄ〕、―π≦φ≦０〔ｒａｄ〕または０≦φ≦π〔ｒａｄ〕等であってもよく、ｘｙ平面に対する角度θは、０≦θ≦π／２〔ｒａｄ〕の範囲内における任意の範囲で変化させるものであっても良い。このような場合であっても三次元積分が可能である。
【０１６５】
また、本実施例において、ｘｙ平面に対する角度φ及びｘｚ平面に対する時計回り角度φを基準として考えることによって魚群ＦＳ内の尾量Ｎの概数を算出しているがこれに限られるものではない。
【０１６６】
また、本実施例において、トランスデューサ２が円筒形の場合について説明したが、これに限られず、球形であっても良い。この場合、数８７はこれに代えて数９０で、数８９はこれに代えて数９１で、それぞれ、表される。ただし、送信信号強度をＰ02（θ）、等価ビーム幅をΨ（θ）とする。
【数９０】
2006105701.tif 000091
【数９１】
2006105701.tif 000092
【０１６７】
第８実施例
次に、第８実施例について、図２１及び図２６を参照しつつ説明する。ここで、図２６は、超音波のビームがスラント面Ｈ７上を走査しつつ、走査面であるスラント面Ｈ７がｙ軸を中心として揺動するように、超音波ビームの送信方位が変更されるモデル図である。なお、「スラント面Ｈ７」とは、第２実施例で説明したスラント面Ｈ１と同義であって、ｙ軸とｚ軸に対してｘ軸の正方向に向けて所定の角度ｑで交差するｘｚ平面上のｗ軸とを含む仮想の平面をいう。なお、トランスデューサ２の形状は球形とする。
【０１６８】
図２６において、超音波のビームは、スラント面Ｈ７上でｙ軸に対する角度θ4を変化させながら海水中の深さ方向に向けて送信される。そして、ｙ軸を中心としてスラント面Ｈ７が揺動するように（即ち、ｚ軸に対してｘ軸の正方向に向けて交差する角度ｑが変化するように）、超音波ビームの送信方位が変更されている。
【０１６９】
ここで、ｚ軸に対するｘ軸の正方向に向けた角度ｑの範囲は、−π／２≦ｑ≦π／２〔ｒａｄ〕であり、スラント面Ｈ７上におけるｙ軸に対する角度θ4の範囲は、０≦θ4≦π〔ｒａｄ〕である。このように、スラント面Ｈ７を走査しつつかかるスラント面Ｈ７をｙ軸を中心として揺動させるように超音波ビームの送受信方位を変更することによって三次元積分することができる。
【０１７０】
超音波のビームが仮想のスラント面Ｈ７上を走査し、魚群ＦＳ内からの反射エコーを受信ビームにより受信し、入力換算音響強度ＰM2が得られた場合、球座標系を用いた魚量情報の算出原理に基づいて魚群ＦＳの魚量情報を算出することができる。以下に、このアルゴリズムについて説明する。
【０１７１】
先ず、マルチビームソナーによる測定領域、即ち、超音波ビームの送受信方向を設定する。ここで、送受信方向を、ｒ（ｋ），θ4（ｉ），ｑ（ｊ）で表すこととする。なお、ｒ方向の測定範囲は０≦ｒ≦超音波ビームの探知距離〔ｍ〕、θ4方向の測定範囲は０≦θ≦π〔ｒａｄ〕、ｑ方向の測定範囲は−π／２≦ｑ≦π／２〔ｒａｄ〕、である。
【０１７２】
スラント面Ｈ７に沿って送信された超音波ビームが魚群ＦＳ内から反射し、この反射エコーを受信ビームにより受信した場合、この受信ビームについての入力換算音響強度ＰM2は、第１〜第７実施例同様に、濃淡で表示されたデータとして表示部６に表示される（本実施例では図示を省略する）。
【０１７３】
次に、かかる受信ビームについての入力換算音響強度ＰM2を二次元エコー積分する。ここで、トランスデューサ２が球形なので、スラント面Ｈ７上の二次元エコー積分値Ｓjは、以下の数９２で表される。
【数９２】
2006105701.tif 000093
ＰMi,j,k2は各体積要素（θ4，ｑ，ｒ）毎の入力換算音響強度、Ｐ02は送信信号強度を示している。
【０１７４】
そして、スラント面Ｈ７がｙ軸を中心として揺動するように超音波ビームの送受信方位を変更することによって、仮想のスラント面Ｈ７上のエコー積分値Ｓjを、ｚ軸に対するｘｚ面上のｗ軸の角度ｑが変化する方向に体積積分する。このように、仮想のスラント面Ｈ７とかかるスラント面Ｈ７が揺動する方向（ｚ軸に対するｗ軸の角度ｑを変化させる方向）とに体積積分すると、かかる体積積分値Ｔは、以下の数９３で表される。
【数９３】
2006105701.tif 000094
そして、以下の数９４が導かれる。
【数９４】
2006105701.tif 000095
従って、単体魚のＴｓが分かれば、魚群ＦＳ内の尾量Ｎの概数を算出することができる。なお、算出された魚群ＦＳ内の尾量Ｎの概数は、表示部６に表示される。
【０１７５】
なお、本実施例において、ｚ軸に対するｘ軸の正方向に向けたｗ軸の角度ｑの範囲を、−π／２≦ｑ≦π／２〔ｒａｄ〕、スラント面Ｈ７上におけるｙ軸に対する角度θ4の範囲を、０≦θ4≦π〔ｒａｄ〕の範囲内で変化させながら超音波のビームを送受信しているが、これに限られるものではない。例えば、ｚ軸に対するｘ軸の正方向に向けた角度ｑは、−π／２≦ｑ≦π／２〔ｒａｄ〕の範囲内における任意の範囲で変化させるものであってもよく、スラント面Ｈ７上におけるｙ軸に対する角度θ4は、０≦θ4≦π〔ｒａｄ〕の範囲内における任意の範囲で変化させるものであっても良い。このような場合であっても三次元積分が可能である。
【０１７６】
また、本実施例において、ｙ軸とｚ軸に対してｘ軸の正方向に向けて所定の角度ｑで交差するｘｚ平面上のｗ軸とを含む仮想のスラント面Ｈ７がｙ軸を中心として揺動する場合を考えているが、これに限られるものではない、例えば、ｘ軸とｚ軸に対してｙ軸の正方向に向けて所定の角度で交差するｙｚ平面上の仮想軸とを含む仮想面がｘ軸を中心として揺動する場合を考えても良い。
【０１７７】
また、本実施例において、トランスデューサ２が球形の場合について説明したが、これに限られず、円筒形であっても良い。この場合、数９２はこれに代えて数９５で、数９４はこれに代えて数９６で、それぞれ、表される。ただし、送信信号強度をＰ02（θ）、等価ビーム幅をΨ（θ）とする。これは、送信信号強度Ｐ02及び等価ビーム幅Ψが、ｘｙ面に対する各ビームの角度θに依存することを意味する。
【数９５】
2006105701.tif 000096
【数９６】
2006105701.tif 000097
【０１７８】
また、本実施例において、超音波のビームがスラント面Ｈ７上を走査しつつ、走査面であるスラント面Ｈ７がｙ軸を中心として揺動するように、超音波ビームの送信方位が変更されているが、これに限られない。即ち、スラント面に代えて、ｘｙ平面上の任意の第１水平軸と、この第１水平軸に直交する第２水平軸ｚ軸とを含む平面（第３面）上でｚ軸に対して交差する下方軸とを含む面であっても良い。
【０１７９】
以上、本発明の好適な実施の形態について説明したが、本発明は上述した実施例に限られるものではなく、特許請求の範囲に記載した限りにおいて、様々な設計変更を行うことが可能なものである。例えば、水中探知装置はスキャニングソナーに限られるものではなく、セクタースキャニングソナーやサーチライトソナーであっても良い。セクタースキャニングソナーを用いた場合、送信信号強度Ｐ02及び等価ビーム幅Ψについて、角度θではなく角度φへの依存性を考慮する必要がある。セクタースキャニングソナーでは、送受波器の周囲に所定の中心角および俯角を有する扇形の送信ビームが形成される。そして、扇形の送信ビーム内をペンシル状の受信ビームで走査することにより、送信ビーム内の各方位の水中情報の探知が行われる。尚、１回の超音波の送信で探知できるのは扇形の範囲だけであるので、送受波器を機械的に回転させることで全周の探知が行われる。また、送信ビームの俯角の制御も機械的に行われる。サーチライトソナーを用いた場合、送信信号強度Ｐ02及び等価ビーム幅Ψのいずれも、角度θ及び角度φへの依存性を考慮する必要はない。サーチライトソナーでは、送受波器の振動子から１つの方位へ所定の俯角でペンシル状の超音波が送信される。そして、振動子で受信された受信信号に基づいて当該方位の水中情報の探知が行われる。尚、１回の超音波の送信で探知できるのはペンシル状の狭い範囲だけであるので、送受波器を機械的に回転させることで全周の探知が行われる。また、超音波が送信される俯角の制御も機械的に行われる。
【０１８０】
また、本発明に適用される水中探知装置において、超音波の送受信方向は、上記各実施例で説明した各面Ｈ１〜Ｈ７に沿った方向に限られるものではなく、所定の二次元方向とこの二次元方向に交差する一次元方向とに体積積分できればよい。
【０１８１】
また、本発明に適用される水中探知装置は、トランスデューサ２から送受信される超音波が１回の送受信によって各面Ｈ１〜Ｈ７を走査するものであってもよく、連続して複数回送受信される超音波によって各面Ｈ１〜Ｈ７を走査するものであってもよい。
【０１８２】
また、上述の各実施例において、魚群ＦＳ内の魚量Ｎを算出しているが、これに限られず、「Ｎ×Ｔｓ」を算出するものであっても良い。
【０１８３】
また、上述の各実施例において、一つの受信ビームを各面Ｈ１〜Ｈ７の多方位に向けて順次形成させているが、これに限られず、一次元的に絞った多数の受信ビームを各面Ｈ１〜Ｈ７上の多方位に向けて同時に形成させても良い。
【０１８４】
なお、上述の各算出原理及び各実施例に記載の「ｙｚ平面に沿って送信された超音波ビーム」、「スラント面Ｈ１に沿って送信された超音波ビーム」、「斜め垂直面Ｈ２に沿って送信された超音波ビーム」、「斜めスラント面Ｈ３に沿って送信された超音波ビーム」、「傘型面Ｈ４に沿って送信された超音波ビーム」、「鉛直平面Ｈ５に沿って送信された超音波ビーム」、「傘型面Ｈ６に沿って送信された超音波ビーム」及び「スラント面Ｈ７に沿って送信された超音波ビーム」のそれぞれについて、円筒座標系のモデル上及び球座標系のモデル上では超音波のビームが各面Ｈ１〜Ｈ７に沿って送信されているが、実際には各面Ｈ１〜Ｈ７に略沿った方向に送信されることとなる。
【０１８５】
また、上述の各算出原理及び各実施例では、トランスデューサ２の形状が球形の場合と円筒形の場合とについて説明したが、例えば、数８１においてＰ02（ｉΔθ），Ψ（ｉΔθ）を、それぞれ、Ｐ02（ｉ，ｊ），Ψ（ｉ，ｊ）と置き換えることにより、任意の形状のトランスデューサに対応することができる。なお、前記（ｉ，ｊ）はビームの番号を意味する。
【０１８６】
以上のように、上述の各実施例におけるスキャニングソナー１は、船体７から水中の所定の方向に超音波ビームを送信し、かかる超音波ビームが魚群ＦＳ内から反射した反射エコーを受信ビームにより受信するトランスデューサ２と、受信ビームの信号を処理する信号処理部５とを備える。そして、この信号処理部が、受信ビームにより得られる入力音響換算信号を各面Ｈ１〜Ｈ７に沿った二次元方向と、これらの面Ｈ１〜Ｈ７に交差する一次元方向との三次元方向に積分する。そして、この積分値から魚群ＦＳ内の尾量Ｎの概数を算出している。従って、水平モードの走査画像及び垂直モードの走査画像の対応関係を把握することなく、魚群ＦＳ内の尾量Ｎの概数を容易に且つ定量的に算出することができる。しかも、漁業者の経験に依ることもないので、算出された魚群ＦＳ内の尾量Ｎの概数がばらつくことも少ない。
【０１８７】
尚、本発明は、上記の好ましい実施形態に記載されているが、本発明はそれだけに制限されない。本発明の精神と範囲から逸脱することのない様々な実施形態が可能である。
【図面の簡単な説明】
【０１８８】
【図１】スキャニングソナーの制御ブロック図である。
【図２】垂直円筒座標系のモデル図である。
【図３】トランスデューサと魚群との位置関係を示す図である。
【図４】（ａ）が（θ，φ）方向に超音波ビームを２次元連続走査した場合の座標系、（ｂ）が点ターゲットを２次元連続スキャンした場合のイメージング結果を示す図である。
【図５】超音波のビームがｙｚ平面上を走査した場合における受信ビームのデータ図である。
【図６】船体の進行を示したモデル図である。
【図７】上下斜め円筒座標系のモデル図である。
【図８】トランスデューサと魚群との位置関係を示す図である。
【図９】超音波のビームが仮想のスラント面上を走査した場合における受信ビームのデータ図である。
【図１０】船体の進行を示したモデル図である。
【図１１】魚群内の尾量を算出するための演算式を説明するための概念図である。
【図１２】左右斜め円筒座標系のモデル図である。
【図１３】図１２に図示される船体の進行を示す平面図である。
【図１４】上下左右斜め円筒座標系のモデル図である。
【図１５】図１４に図示される船体の進行を示す平面図である。
【図１６】傘型面水平移動座標系のモデル図である。
【図１７】トランスデューサと魚群との位置関係を示す図である。
【図１８】超音波のビームが仮想の傘型面上を−π／２≦φ≦π／２〔ｒａｄ〕の範囲内で走査した場合における受信ビームのデータ図である。
【図１９】船体の進行方向と超音波ビームの送信方向との関係を示したモデル図である。
【図２０】船体が進行する様子を示したモデル図である。
【図２１】球座標系のモデル図である。
【図２２】超音波のビームが鉛直平面Ｈ５上を走査しつつ、走査面である鉛直平面Ｈ５がｙ軸を中心として反時計回りに回転するように、超音波ビームの送信方位が変更されるモデル図である。
【図２３】鉛直平面Ｈ５に沿って送信された超音波ビームが魚群ＦＳ内から反射し、この反射エコーを受信ビームにより受信した場合におけるデータ図である。
【図２４】超音波のビームが船体の周囲に形成される傘型面Ｈ６上を走査しつつ、走査面である傘型面Ｈ６がｘｙ平面に対する角度θを変えるように、超音波ビームの送信方位が変更されるモデル図である。
【図２５】傘型面Ｈ６に沿って送信された超音波ビームが魚群ＦＳ内から反射し、この反射エコーを受信ビームにより受信した場合におけるデータ図である。
【図２６】超音波のビームがスラント面Ｈ７上を走査しつつ、走査面であるスラント面Ｈ７がｙ軸を中心として揺動するように、超音波ビームの送信方位が変更されるモデル図である。
【符号の説明】
【０１８９】
１  スキャニングソナー（マルチビームソナー）
２  トランスデューサ
３  送信部
４  受信部
５  信号処理部
６  表示部
７  船体
Ｈ１  スラント面
Ｈ２  斜め垂直面
Ｈ３  斜めスラント面
Ｈ４  傘型面
Ｈ５  鉛直平面
Ｈ６  傘型面
Ｈ７  スラント面
ＦＳ  魚群
【図１】
2006105701.tif 000098
【図２】
2006105701.tif 000099
【図３】
2006105701.tif 000100
【図４】
2006105701.tif 000101
【図５】
2006105701.tif 000102
【図６】
2006105701.tif 000103
【図７】
2006105701.tif 000104
【図８】
2006105701.tif 000105
【図９】
2006105701.tif 000106
【図１０】
2006105701.tif 000107
【図１１】
2006105701.tif 000108
【図１２】
2006105701.tif 000109
【図１３】
2006105701.tif 000110
【図１４】
2006105701.tif 000111
【図１５】
2006105701.tif 000112
【図１６】
2006105701.tif 000113
【図１７】
2006105701.tif 000114
【図１８】
2006105701.tif 000115
【図１９】
2006105701.tif 000116
【図２０】
2006105701.tif 000117
【図２１】
2006105701.tif 000118
【図２２】
2006105701.tif 000119
【図２３】
2006105701.tif 000120
【図２４】
2006105701.tif 000121
【図２５】
2006105701.tif 000122
【図２６】
2006105701.tif 000123