(57)【要約】【目的】探査範囲を魚群の上下移動に合わせて俯角を調整することが可能とし、魚群の追尾性能が向上させる。【構成】自動追尾スキャニングソナーにおいて、傘状送波ビームとペンシル上受波ビームを用いて水平スキャンを実行する送受波部と、断面画像構成部と、魚群像抽出部と、魚群像位置情報算出部と、俯角−蓄積反応強度記憶部と、水平断面上動き予測部と、探査範囲制御部と、からなることを特徴とする自動追尾スキャニングソナーであり、魚群が垂直移動をした場合にも、魚群を見失わない。【選択図】図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
例えば測定中心が船であり対象標的が魚群であるような標的を自動追尾する機能を有する自動追尾スキャニングソナーにおいて、水平面とソナービームとの角度を俯角と定義した場合に、ソナービームの俯角のみを変動させて魚群を探査する手段を持つことを特徴とする自動追尾スキャニングソナー。
【請求項２】
前記俯角を変動させて魚群を探査する手段は、
魚群断面を捉える基準俯角をＡとし、予め定め記憶装置に記憶させた１以上である定数ｎ個の変動角度をＢｎとした場合にＡ＋Ｂｎを俯角としてｎ＋１回の水平スキャンを実行する送受波部と、
前記送受波部のデータを断面ソナー画像データに変換する断面画像構成部と、
前記断面画像構成部から得られる断面ソナー画像データから魚群予測位置を用いて対象とする魚群像を抽出し魚群の反応強度および魚群中心の測定中心からの相対位置を算出する魚群像抽出部と、
魚群中心の測定中心からの相対位置と船の絶対位置と俯角から魚群の絶対位置を算出する魚群像位置情報算出部と、
俯角とその俯角で得られた魚群の反応強度を保存する俯角−蓄積反応強度記憶部と、
魚群の絶対位置から次回の魚群予測位置を算出する水平断面上動き予測部と、
前記俯角−蓄積反応強度記憶部の情報から次回の基準俯角を決定する俯角制御部と、
魚群の絶対位置あるいは相対位置から次回の探査距離を決定する探査範囲制御部と、
からなることを特徴とする請求項１に記載の自動追尾スキャニングソナー。
【請求項３】
前記俯角制御部は、予め設定した値を前記基準俯角Ａの更新量とすることを特徴とする請求項２に記載の自動追尾スキャニングソナー。
【請求項４】
前記俯角制御部は、測定中心と対象魚群の距離に反比例するよう距離が近いほど前記変動角度Ｂを大きくすることを特徴とする請求項２に記載の自動追尾スキャニングソナー。
【請求項５】
前記俯角制御部は、前記俯角Ａ＋Ｂｎの俯角毎に水平スキャン面からの魚群の反射強度を加算し、最も反射強度の強いＢｎの符合が正数であれば対象魚群は下方に移動したものとみなし、また、最も反射強度の強いＢｎの符合が負数であれば対象魚群は上方に移動したものであるとみなすことによって、魚群の移動に追随して俯角を制御することを特徴とする請求項２に記載の自動追尾スキャニングソナー。
【請求項６】
前記探査範囲制御部は測定中心から対象魚群への距離に応じて自動的に探査距離を決定することを特徴とする請求項2に記載の自動追尾スキャニングソナー。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、魚群等の標的を自動的に追尾できる機能を備えたスキャニングソナーに関する。
【背景技術】
【０００２】
一般の漁労用スキャニングソナーは、所定の俯角で、あるビーム幅を持った傘状の送波ビームを水中の全方位へ送信し、あるビーム幅を持ったペンシル状の受波ビームを高速に所定の俯角で回転させ、エコー信号を検出する（以下水平スキャンと呼ぶ）ことで、所定の俯角での水中の全方位の断面像を得る装置である。
【０００３】
しかし所定の俯角での海中の断面しか見ることができないため、いったん発見した魚群を見失わないようにするために、ユーザが手動で俯角を制御する必要がある。この労力を軽減するため、追尾対象として選択された魚群を捉えるように俯角を制御する魚群追尾スキャニングソナーが求められている。
【０００４】
この種の装置として、魚群は発見時の一定深度に存在するとして、魚群の水平移動にあわせて、自船と魚群との水平距離が近づいたら俯角を下げ、遠ざかると俯角を上げる魚群追尾スキャニングソナーがある。ある方位の海中の断面をスキャン（垂直スキャン）できるトランスデューサをもつスキャニングソナーでは、特開平２００３−３１５４５３で示される手法を用いる魚群追尾スキャニングソナーがある。
【特許文献１】特開平２００３−３１５４５３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
魚群が一定深度に存在するとして、魚群の水平移動にあわせて俯角を調整する魚群追尾スキャニングソナーでは、魚群が垂直移動をした場合に、魚群を見失う可能性が高くなる。また、特許文献１で示される手法は、垂直スキャンできない安価なトランスデューサを搭載したスキャニングソナーでは実現できないという欠点があった。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
前記課題を解決するために本発明では次のような手段をとる。
【０００７】
すなわち、例えば測定中心が船であり対象標的が魚群であるような標的を自動追尾する機能を有する自動追尾スキャニングソナーにおいて、水平面とソナービームとの角度を俯角と定義した場合に、ソナービームの俯角のみを変動させて魚群を探査する手段を持つことを特徴とする自動追尾スキャニングソナーとする。
【０００８】
また、前記俯角を変動させて魚群を探査する手段は、魚群断面を捉える基準俯角をＡとし、予め定め記憶装置に記憶させた１以上である定数ｎ個の変動角度をＢｎとした場合にＡ＋Ｂｎを俯角としてｎ＋１回の水平スキャンを実行する送受波部と、前記送受波部のデータを断面ソナー画像データに変換する断面画像構成部と、前記断面画像構成部から得られる断面ソナー画像データから魚群予測位置を用いて対象とする魚群像を抽出し魚群の反応強度および魚群中心の測定中心からの相対位置を算出する魚群像抽出部と、魚群中心の測定中心からの相対位置と船の絶対位置と俯角から魚群の絶対位置を算出する魚群像位置情報算出部と、俯角とその俯角で得られた魚群の反応強度を保存する俯角−蓄積反応強度記憶部と、魚群の絶対位置から次回の魚群予測位置を算出する水平断面上動き予測部と、前記俯角−蓄積反応強度記憶部の情報から次回の基準俯角を決定する俯角制御部と、魚群の絶対位置あるいは相対位置から次回の探査距離を決定する探査範囲制御部と、からなることを特徴とする自動追尾スキャニングソナーとする。
【０００９】
また、前記俯角制御部は、予め設定した値を前記基準俯角Ａの更新量とすることを特徴とする自動追尾スキャニングソナーとする。
【００１０】
また、前記俯角制御部は、測定中心と対象魚群の距離に反比例するよう距離が近いほど前記変動角度Ｂを大きくすることを特徴とする自動追尾スキャニングソナーとする。
【００１１】
また、前記俯角制御部は、前記俯角Ａ＋Ｂｎの俯角毎に水平スキャン面からの魚群の反射強度を加算し、最も反射強度の強いＢｎの符合が正数であれば対象魚群は下方に移動したものとみなし、また、最も反射強度の強いＢｎの符合が負数であれば対象魚群は上方に移動したものであるとみなすことによって、魚群の移動に追随して俯角を制御することを特徴とする自動追尾スキャニングソナーとする。
【００１２】
また、前記探査範囲制御部は測定中心から対象魚群への距離に応じて自動的に探査距離を決定することを特徴とする自動追尾スキャニングソナーとする。
【発明の効果】
【００１３】
本発明によれば、魚群と自船との距離に合わせて探査範囲を調整し、また、魚群の上下移動に合わせて俯角を調整することが可能となり、魚群の追尾性能が向上する。
【実施例】
【００１４】
本発明の好適な実施例として観測点を測定中心の船舶とし観測物を移動する魚群とした場合について、図を参照して説明する。
図１は異なる複数の俯角による水平スキャンの結果の差異を説明する図である。船１０１から傘状の送波ビームを水中の全方位へ送信し、物体からの反射波をペンシル状の受波ビーム１０３として検出する。傘状ビームとペンシル状ビームの関係を図４に模式的に示した。
【００１５】
検出した受信ビームに関して、俯角Ａの送波ビームに対する受信ビームを映像化したものが１０７であり、Ａよりも小さな俯角Ａ＋Ｂ１の送波ビームに対する受信ビームを映像化したものが１０５であり、Ａよりも大きな俯角Ａ＋Ｂ２の送波ビームに対する受信ビームを映像化したものが１０９である。図のように俯角によって得られるソナー映像は違ったものとなる。
【００１６】
図１についてさらに詳述し、基準俯角Ａの決定方法について説明する。ある俯角で水平スキャンを行い、得られたソナー映像に魚群像が出現し、それが追尾魚群像として指定される。このときの俯角を基準俯角Ａと、あらかじめ定められた任意の角度だけ基準俯角Ａから変化させた複数の俯角Ａ＋Ｂｎ（ｎ=１、２、…）で水平スキャンする。Ｂｎは例えば、Ｂ１＝＋Ｘ１、Ｂ２＝−Ｘ２、Ｂ３＝＋Ｘ３、Ｂ４＝−Ｘ４のように、その個数と角度Ａからの変化角度は自由に設定できるようにしておく。
【００１７】
図１のように、それぞれの俯角で得られる魚群からのエコー信号は異なる。それぞれの俯角Ａ、Ａ＋Ｂｎ（ｎ＝１、２、…）で得られた魚群からの反射強度を算出し、保存しておく。それぞれの俯角で得られた魚群からの反射強度を比較し、基準俯角より浅い俯角、つまりＡよりも小さな値の俯角で魚群からの反射強度が強ければ、次回の基準俯角を浅く、つまり俯角を小さくし、基準俯角より深い俯角、つまりＡよりも大きな値の俯角で魚群からの反射強度が強ければ、次回の基準俯角を深く、つまり俯角を大きくするように制御し、これを繰り返すことで魚群を追尾するのが本発明にかかる追尾方式である。
【００１８】
ここで、前述した魚群からの反射強度に関して、その算出方法の一例を説明する。まず、スキャンで得られたソナー信号の２次元データ（図１における１０５、１０７、１０９）を画像処理により２値化し、反射強度が平均値よりも大きな箇所（図１における１１１、１１３、１１５）についてグループ化しラベルを付与する。
【００１９】
保存されている過去の追尾対象魚群像の位置から予測される魚群位置、あるいは過去の追尾対象魚群像の大きさ、あるいは過去の追尾対象魚群像強度などと、ラベルを付与されたそれぞれの像の位置、あるいは大きさ、あるいは強度とを比較し、追尾対象魚群として扱うべき像を選択する。追尾対象魚群像を定めた後に、その追尾対象魚群像を構成する画素ごとの数値の和を魚群からの反射強度と定義する。
【００２０】
なお、エコー信号の揺らぎを考慮して、各俯角毎にスキャンを複数回実施し、それぞれの反射強度を累積加算した結果を利用して前記のような過去のデータとの比較を行うことも可能である。
【００２１】
水中の超音波の速度は、ほぼ一定であり、俯角の異なる数多くの断面を得るために必要な時間は、探査距離によって決定される。そのため、標的と自船との距離が近づけば自動的に探査距離を短くして、単位時間当たり数多くの断面を得ることで追尾性能を向上させ、標的と自船との距離が遠ざかった場合、追尾中断を防ぐため探査範囲を長くする。用意された標的と自船との距離に対応する探査距離のテーブルの利用や、探査距離と標的と自船との距離の割合を前もって決定しておくなどして、探査距離を決定する。
【００２２】
次に自動追尾スキャニングソナーシステムの構成について、図２の水平断面像と図３のブロック図を用いて説明する。図３において送受波部３２１は、設定された俯角、探査距離で、水平スキャンする。送受波部は近傍から方位方向３６０度のエコー信号（ラインデータ）を連続して出力し、時間が経過するにつれ、水中の音速に比例した遠方のエコー信号が出力する。探査距離に到達すると、設定された俯角、探査距離により、送波を行い、探査距離に到達するまで受波を行なう事を繰り返す。
【００２３】
断面画像構成部３２３では、送受波部より水平スキャン毎に、連続して送られてくる、指定された俯角での方位方向３６０度のエコー信号データを蓄積することで、まず、方位方向（θ）と距離方向（ｒ）を座標軸にもつ２次元エコー信号データを作成する。このｒθ座標系２次元ソナーデータを、図２のように自船を中心とする水平断面画像に変換し、ディスプレイに表示する。
【００２４】
魚群像抽出部３２５ではｒθ座標系２次元ソナーデータと、魚群位置を入力とする。魚群位置は、自船からの距離、方位で与えられる、キーボードから入力された位置、または、過去の魚群像位置から算出した予測位置である。処理量軽減のため、追尾魚群が存在する位置周辺の２次元ソナーデータを２値化処理後、収縮膨張処理により雑音除去や距離の近い像を一つにまとめる作業を行ない、ラベリング処理をする。このラベリングされた像それぞれの重心位置を自船からの距離、方位で求める。また、ラベリングされた像それぞれの反応強度を算出する。このラベリング像の重心位置と入力された魚群位置の差と、像の反応強度から、判定基準に従い、複数のラベリング像の中から選ばれた１つを魚群像とする。該当する像が存在しなかった場合、処理を中断し、魚群位置再指定を待つ。
【００２５】
魚群像位置情報算出部３２７では、魚群像の重心位置（船との相対距離、方位）と、探査俯角と、ＧＰＳ及びコンパスから得られた自船の絶対位置情報を入力とし、船との相対距離、方位で表される魚群像の重心位置を緯度、経度の絶対位置に変換する。
【００２６】
水平断面上動き予測部３２９では、入力された魚群像の絶対位置を、例えば過去ｎスキャン分保存することによって、その移動平均により次回フレームでの魚群の絶対位置を予測でき、ある俯角での水平断面像の中において、魚群の予測位置をあらかじめ把握できる。このことにより、水平断面全域で魚群抽出計算をする必要が無くなる。なお、予測した魚群像の絶対位置は、自船との相対距離、方位に変換しなおし、出力する。
【００２７】
俯角−蓄積反応強度記憶部３３１に、基準俯角とその近くの俯角に対応する反射強度が蓄積される。基準俯角が更新されると、この記憶部はクリアされる。
【００２８】
俯角制御部３３３では、例えば一定送受波毎に俯角−蓄積反応強度記憶部のデータを監視し、記憶部に登録された俯角のうち最も強い反射強度の俯角方向に魚群が上下移動したと判断し、基準俯角を最も強い反射強度の俯角方向にあらかじめ定めた任意の角度だけ変化させる。
【００２９】
探査範囲制御部３３５では、魚群の絶対位置から、例えば、画面上で魚群の位置が表示される位置は、探査距離の８割の距離に存在するように設定しておき、これから次回の最大探査距離を決定する。探査距離がある程度短くなる（たとえば３００ｍ）と、それ以上魚群が近づいても探査距離を短くしない。
【００３０】
以上述べたように、図３の処理ブロックによって図１のような水平断面映像を得ることができるため、前回スキャン時に比べて魚群の移動方向がわかるため、自動的に魚群の移動に追従できるシステムを構築することが可能となる。
【００３１】
なお、本実施例の変形例として、Ａよりも大きな値の俯角Ａ＋Ｂ１で魚群からの反射強度が強い時に、次回の基準俯角をＡ＋Ｂ１にし、Ａよりも小さな値の俯角Ａ＋Ｂ２で魚群からの反射強度が強ければ、次回の基準俯角をＡ＋Ｂ２にする方式があり、また、本実施例のさらなる変形例として、あらかじめ任意の俯角変動量Ｐを定め、Ａよりも大きな値の俯角で魚群からの反射強度が強い時に、次回の俯角をＡ＋Ｐにし、Ａよりも小さな値の俯角で魚群からの反射強度が強ければ、次回の基準俯角をＡ−Ｐにする方式がある。
【００３２】
本実施例によれば、雑音などの影響で基準俯角Ａが大きく変動し、魚群を見失う可能性を軽減できる。
【００３３】
さらに本実施例によれば、魚群が同じ量を移動しても、自船と魚群の距離により、要する俯角が変わってくる事象を解決することが可能となる。
【００３４】
さらに本実施例によれば、エコーの揺らぎや雑音などの影響を低減することが可能となる。
【００３５】
さらに本実施例によれば、魚群追尾に適した探査距離とすることにより、魚群を見失う可能性を軽減できる。
【図面の簡単な説明】
【００３６】
【図１】図１（ａ）から（ｄ）は、俯角によるソナー映像の例
【図２】図２（Ａ）及び（Ｂ）は、断面ソナー画像データ
【図３】自動追尾スキャニングソナーシステムのブロック図
【図４】傘状送波ビームとペンシル状受波ビーム
【符号の説明】
【００３７】
１０１…自船、  １０３…受波ビーム、
１０５…俯角Ａ＋Ｂ１のソナー映像、  １０７…俯角Ａのソナー映像、
１０９…俯角Ａ＋Ｂ２のソナー映像、
１１１…俯角Ａ＋Ｂ１の魚群像、  １１３…俯角Ａの魚群像、
１１５…俯角Ａ＋Ｂ２の魚群像、
３０１…方位走査方向ラインデータ、  ３０２…断面ソナー画像データ、
３０３…断面ソナー画像データ、
３０４…ソナー画像上の魚群像指定点データ（初回のみ）、
３０５…自船から見た魚群位置データ、  ３０６…魚群像の反応強度データ、
３０７…魚群位置データ、  ３０８…予測魚群位置データ、
３０９…一定時間の魚群反応強度の総和データ、
３１０…自船の位置データ、  ３１１…次回俯角データ、
３１２…処理断面映像の俯角データ、  ３１３…次回探査距離データ、
３２１…送受波部、  ３２３…断面画像構成部、  ３２５…魚群像抽出部、
３２７…魚群像位置情報算出部、  ３２９…水平断面上動き予測部、
３３１…俯角−蓄積反応強度記憶部、  ３３３…俯角制御部、
３３５…探査範囲制御部。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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