(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
送受波器から水中に超音波を送波するとともに、水中から帰来する超音波のエコーを前記送受波器で受波し、前記エコーから得られる各方位の受信信号に基づいて水中情報を表示する水中探知装置において、
前記受信信号から、当該受信信号の中心周波数を方位ごとに検出する中心周波数検出手段と、
前記受信信号から、当該受信信号の帯域幅を方位ごとに検出する帯域幅検出手段と、
前記中心周波数検出手段が検出した中心周波数に基づいて、受信信号の中心周波数をシフトさせ、当該受信信号からベースバンド信号を得る周波数シフト手段と、
前記帯域幅検出手段が検出した帯域幅に対応して帯域幅が変化し、当該帯域幅によって前記ベースバンド信号の帯域を制限する可変帯域幅フィルタと、
を備えたことを特徴とする水中探知装置。
【請求項２】
送受波器から水中に超音波を送波するとともに、水中から帰来する超音波のエコーを前記送受波器で受波し、前記エコーから得られる各方位の受信信号に基づいて水中情報を表示する水中探知装置において、
前記受信信号から、当該受信信号の中心周波数を方位ごとに検出する中心周波数検出手段と、
前記受信信号から、当該受信信号の帯域幅を方位ごとに検出する帯域幅検出手段と、
船速に基づいて受信信号のドップラシフト周波数を演算し、この演算値から受信信号の中心周波数を推定する中心周波数推定手段と、
前記中心周波数検出手段で検出された中心周波数と、前記中心周波数推定手段で推定された中心周波数のいずれを用いるかを選択する第１の選択手段と、
前記第１の選択手段で選択された周波数に基づいて、受信信号の中心周波数をシフトさせ、当該受信信号からベースバンド信号を得る周波数シフト手段と、
前記帯域幅検出手段が検出した帯域幅に対応して帯域幅が変化し、当該帯域幅によって前記ベースバンド信号の帯域を制限する可変帯域幅フィルタと、
を備えたことを特徴とする水中探知装置。
【請求項３】
送受波器から水中に超音波を送波するとともに、水中から帰来する超音波のエコーを前記送受波器で受波し、前記エコーから得られる各方位の受信信号に基づいて水中情報を表示する水中探知装置において、
前記受信信号から、当該受信信号の中心周波数を方位ごとに検出する中心周波数検出手段と、
前記受信信号から、当該受信信号の帯域幅を方位ごとに検出する帯域幅検出手段と、
前記送受波器に印加される送信信号のパルス幅に基づいて受信信号の帯域幅を推定する帯域幅推定手段と、
前記帯域幅検出手段で検出された帯域幅と、前記帯域幅推定手段で推定された帯域幅のいずれを用いるかを選択する第２の選択手段と、
前記中心周波数検出手段が検出した中心周波数に基づいて、受信信号の中心周波数をシフトさせ、当該受信信号からベースバンド信号を得る周波数シフト手段と、
前記第２の選択手段で選択された帯域幅に対応して帯域幅が変化し、当該帯域幅によって前記ベースバンド信号の帯域を制限する可変帯域幅フィルタと、
を備えたことを特徴とする水中探知装置。
【請求項４】
送受波器から水中に超音波を送波するとともに、水中から帰来する超音波のエコーを前記送受波器で受波し、前記エコーから得られる各方位の受信信号に基づいて水中情報を表示する水中探知装置において、
前記受信信号から、当該受信信号の中心周波数を方位ごとに検出する中心周波数検出手段と、
前記受信信号から、当該受信信号の帯域幅を方位ごとに検出する帯域幅検出手段と、
船速に基づいて受信信号のドップラシフト周波数を演算し、この演算値から受信信号の中心周波数を推定する中心周波数推定手段と、
前記送受波器に印加される送信信号のパルス幅に基づいて受信信号の帯域幅を推定する帯域幅推定手段と、
前記中心周波数検出手段で検出された中心周波数と、前記中心周波数推定手段で推定された中心周波数のいずれを用いるかを選択する第１の選択手段と、
前記帯域幅検出手段で検出された帯域幅と、前記帯域幅推定手段で推定された帯域幅のいずれを用いるかを選択する第２の選択手段と、
前記第１の選択手段で選択された周波数に基づいて、受信信号の中心周波数をシフトさせ、当該受信信号からベースバンド信号を得る周波数シフト手段と、
前記第２の選択手段で選択された帯域幅に対応して帯域幅が変化し、当該帯域幅によって前記ベースバンド信号の帯域を制限する可変帯域幅フィルタと、
を備えたことを特徴とする水中探知装置。
【請求項５】
請求項２または請求項４に記載の水中探知装置において、
第１の選択手段は、中心周波数検出手段によって検出された方位ごとの中心周波数の確度が一定の基準に満たない場合に、中心周波数推定手段で推定された中心周波数を選択することを特徴とする水中探知装置。
【請求項６】
請求項３または請求項４に記載の水中探知装置において、
第２の選択手段は、操作部での設定に従って帯域幅の選択を行うことを特徴とする水中探知装置。
【請求項７】
請求項１ないし請求項４のいずれかに記載の水中探知装置において、
周波数シフト手段および可変帯域幅フィルタを、受信信号を走査してビームを形成するビーム形成部の後段に設けたことを特徴とする水中探知装置。
【請求項８】
請求項１ないし請求項４のいずれかに記載の水中探知装置において、
可変帯域幅フィルタから出力される信号に基づいて聴音信号を発生する聴音信号発生手段を設けたことを特徴とする水中探知装置。
【請求項９】
請求項８に記載の水中探知装置において、
聴音信号発生手段は、ベースバンドに周波数シフトされた聴音方位に対する中心周波数を、ドップラシフト周波数分だけ逆シフトする第１の聴音ミキサと、この第１の聴音ミキサから出力される信号の中心周波数を、聴音信号として最適な周波数帯域にシフトする第２の聴音ミキサとからなることを特徴とする水中探知装置。
【請求項１０】
請求項１ないし請求項４のいずれかに記載の水中探知装置において、
中心周波数検出手段および帯域幅検出手段は、複素自己相関法により受信信号の中心周波数および帯域幅をそれぞれリアルタイムに検出することを特徴とする水中探知装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、スキャニングソナーなどの水中探知装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
図１２は、スキャニングソナーを用いて水中情報を探知する一般的な原理を示している。図において、Ａは船舶Ｓに搭載された水中探知装置、Ｔは水中探知装置Ａに備えられた円筒型の送受波器、Ｂｓは送受波器Ｔから発射される送信ビーム、Ｂｒは送信ビームＢｓが水中の魚類等で反射して帰来するエコーを受信する受信ビーム、Ｚは水面である。送信ビームＢｓは、送受波器Ｔから水中の全方位へ向けて一定の俯角（ティルト角）で一斉に発射され、無指向性の傘形のビームを形成する。一方、受信ビームＢｒは、送受波器Ｔが円周方向に走査されて形成される所定の指向性をもったビームであって、高速でスパイラル状に３６０°回転する。この受信ビームＢｒでエコーを受信し、得られた受信信号を解析することによって、広域にわたる魚群の分布状況や動きなどの水中情報を求めることができる。
【０００３】
図１０は、従来のスキャニングソナーの電気的構成を示したブロック図である。スキャニングソナーは、送受波器５１、送信部５２、送受切替部５３を備えており、また、５４〜６１の各ブロックから構成される受信部を備えている。送受波器５１は、水中に超音波を送波し、また水中から帰来する超音波のエコーを受波するもので、円筒体の表面に多数の超音波振動子が配列された公知の構造を有している。送信部５２は、所定のパルス幅をもった送信信号を生成し、これを送受波器５１に供給する。送受切替部５３は、送信時と受信時とで信号の通路を切り替える回路で、送信時は送信信号のみを通過させ、受信時は受信信号のみを通過させる。
【０００４】
５４は受信部に設けられた１段目の固定帯域フィルタであって、送受波器５１が受波したエコーより得られる受信信号の中から、必要な周波数帯域の信号を取出すためのフィルタである。５５は増幅器であって、固定帯域フィルタ５４を通過した受信信号を増幅するものである。５６はミキサから構成される周波数変換部であって、増幅された信号の周波数をシフトさせて中間周波数に変換するものである。５７は２段目の固定帯域フィルタであって、周波数変換された信号に含まれる不要な側波帯の信号を除去して、周波数帯域をさらに絞るためのフィルタである。５８は増幅器であって、受信信号を次段のＡ／Ｄ変換器５９の入力レベルまで増幅するものである。Ａ／Ｄ変換器５９は、増幅された受信信号をデジタル信号に変換するものである。６０はビーム形成部であって、受信信号に対して水平方向に連続走査を行うことにより、ビームを形成するものである。６１は検波部であって、ビーム形成された受信信号の包絡線を検出するものである。検波部６１の出力は図示しない表示装置へ送られる。
【０００５】
上記構成において、送信部５２は送受切替部５３を介して、所定周波数のパルス信号を送信信号として送受波器５１に供給する。送受波器５１はこの信号を超音波に変換して、水中へ超音波ビームを発射する。発射された超音波は水中の魚類等で反射し、そのエコーが送受波器５１で受波される。送受波器５１は、受波した超音波を電気信号に変換し、この信号を受信信号として受信部へ送る。受信部では、まず固定帯域フィルタ５４において、受信信号中に含まれている不要な雑音が除去され、所定の周波数帯域の信号のみが取り出される。取り出された信号は、増幅器５５で増幅され、周波数変換部５６で中間周波数に変換された後、固定帯域フィルタ５７で不要な側波帯の信号が取り除かれ、さらに増幅器５８で増幅されて、Ａ／Ｄ変換器５９でデジタル信号に変換される。ビーム形成部６０は、水平方向の走査によって受信信号のビームを形成し、これを検波部６１へ送る。検波部６１は受信信号から信号包絡線を検出し、そのデータを後段の表示装置へ出力する。表示装置では、上記データに基づいて水中情報を表すエコーの映像が表示される。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
上記従来の装置において、受信信号の帯域は固定帯域フィルタ５４，５７によって決まり、最終的には２段目の固定帯域フィルタ５７の帯域幅によって帯域が制限される。しかしながら、受信信号の周波数は常に一定とは限らず、船速、船体動揺、潮流、波浪などの要因によって信号周波数がシフトする。図１１は、船速による受信信号の周波数シフト（ドップラシフト）を説明する図である。Ｓは矢印Ｋ方向へ航行している船舶であって、上述したスキャニングソナーを搭載している。（ａ）〜（ｄ）は信号の周波数スペクトラムを示しており、（ａ）はスキャニングソナーから送信される送信信号、（ｂ）は船舶Ｓの前方の地点Pで反射して帰ってくるエコーによる受信信号、（ｃ）は船舶Ｓの側方の地点Qで反射して帰ってくるエコーによる受信信号、（ｄ）は船舶Ｓの後方の地点Rで反射して帰ってくるエコーによる受信信号のスペクトラムを表している。また、（ｅ）は固定帯域フィルタ５７の周波数特性を表している。
【０００７】
地点Pは船舶Ｓが近づく方向にあるため、当該地点Pからの受信信号の中心周波数ｆａは、（ｂ）のように、ドップラ効果によって送信信号の中心周波数ｆｏよりもプラス側にΔｆだけシフトしたものとなる。また、地点Qは船舶Ｓの進行方向に対して船舶Ｓと同じ位置にあるので、当該地点Qからの受信信号の中心周波数は、（ｃ）のように、ドップラ効果の影響を受けずにｆｏとなる。一方、地点Rは船舶Ｓが遠ざかる方向にあるため、当該地点Rからの受信信号の中心周波数ｆｂは、（ｄ）のように、ドップラ効果によって送信信号の中心周波数ｆｏよりもマイナス側にΔｆだけシフトしたものとなる。
【０００８】
このように、受信信号の周波数シフトは方位ごとによって異なるが、全方位にわたる周波数シフトをカバーするためには、固定帯域フィルタ５７として図１１（ｅ）のように帯域幅ｗの広いフィルタを用いる必要がある。しかし、単にフィルタの帯域幅を広くしただけでは、海中雑音やシステム自体の電気雑音が増加して、探知範囲が狭くなるという問題が生じる。これに対処する方法として、送信信号のパワーを大きくすることが考えられるが、こうすると装置が大型化するとともに、消費電力が増大するという問題がある。以上のことは、上述した船速による周波数シフトだけでなく、船体の動揺や、潮流、波浪などの外乱要因に基づいて発生する周波数シフトの場合にも、同様にあてはまる。
【０００９】
そこで、中心周波数が可変である固定帯域フィルタを用い、船速に応じたドップラシフト量に対応して、フィルタの中心周波数をシフトさせるようにした超音波探知装置が提案されている（特許第２８７５１１８号公報）。この方法によれば、ドップラシフト量が変化しても、フィルタの中心周波数と固定帯域幅がこれに追随してシフトするので、受信信号の周波数変動に応じたフィルタ処理を行うことができ、探知能力を維持することができる。
【００１０】
しかしながら、上記公報に記載された探知装置は、船速とビーム角度から受信信号のドップラシフト量を演算し、その分だけフィルタの中心周波数をシフトさせるものであるから、船速に基づく周波数シフトに関しては対応できるが、それ以外の要因（船体動揺、潮流、波浪等）に基づく周波数シフトに関しては対応することができない。たとえば、船体動揺に関していえば、船が停止している場合でも船体は波によって６軸の運動をするため、これに基因して周波数シフトが発生するが、上記公報の技術では、船速がゼロの停船状態では周波数シフト量を求めることができない。さらに、船速に基づいてフィルタ処理を行う場合でも、常に他の機器から船速データを得ることが必要となる。
【００１１】
また、上記装置においては、フィルタの帯域幅が固定であるから、方位ごとに受信周波数の帯域幅が変動した場合は対応することができず、ＳＮ比を向上させるうえで限界がある。さらに、上記装置ではフィルタ処理をビーム形成前に行っているため、フィルタの帯域幅を極端に狭くすることができず、受信信号の周波数を絞るには、固定帯域フィルタを多段に設けねばならない。このため、フィルタが多数必要となって回路が複雑になるとともに、コストも高くなるという欠点がある。
【００１２】
本発明は、上記問題点を解決するものであって、その目的とするところは、種々の要因に基づく方位ごとの受信周波数のシフトに対応することができ、しかも高いＳＮ比を確保できる水中探知装置を提供することにある。本発明の他の目的は、１個のフィルタで全方位の受信信号に対する帯域制御が可能な水中探知装置を提供することにある。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
本発明では、受信信号から、当該受信信号の中心周波数を方位ごとに検出する中心周波数検出手段と、受信信号から、当該受信信号の帯域幅を方位ごとに検出する帯域幅検出手段と、中心周波数検出手段が検出した中心周波数に基づいて受信信号の中心周波数をシフトさせ、当該受信信号からベースバンド信号を得る周波数シフト手段と、帯域幅検出手段が検出した帯域幅に対応して帯域幅が変化し、当該帯域幅によってベースバンド信号の帯域を制限する可変帯域幅フィルタとを設けている。
【００１４】
本発明においては、受信信号そのものから方位ごとの中心周波数を検出するので、船速による周波数シフトはもちろんのこと、それ以外の要因に基づく周波数シフトに関しても対応することができる。また、受信信号から得られる帯域幅に応じて可変帯域幅フィルタの帯域幅が変化するため、方位ごとに受信周波数の帯域幅が変動しても、最適の帯域幅でフィルタ処理が行われ、不要な雑音が効果的に除去されてＳＮ比が向上する。また、方位ごとに異なる中心周波数をベースバンドへシフトさせ、周波数を固定してから可変帯域幅フィルタで帯域を制御するので、可変帯域幅フィルタを複数個必要とせず、１個のフィルタで全方位の信号の帯域制御が可能となる。
【００１５】
本発明では、上記構成に加えて、船速に基づいて受信信号のドップラシフト周波数を演算し、この演算値から受信信号の中心周波数を推定する中心周波数推定手段を設けてもよい。この場合、中心周波数検出手段で検出された中心周波数と、中心周波数推定手段で推定された中心周波数のいずれを用いるかを選択し、選択された周波数に基づいて受信信号の中心周波数をベースバンドへシフトさせる。
【００１６】
また、本発明では、送信信号のパルス幅から受信信号の帯域幅を推定する帯域幅推定手段を設けてもよい。この場合、帯域幅検出手段で検出された帯域幅と、帯域幅推定手段で推定された帯域幅のいずれを用いるかを選択し、選択された帯域幅に対応して可変帯域幅フィルタの帯域幅を変化させることで、ベースバンド信号の帯域を最適値に制御する。
【００１７】
本発明では、中心周波数検出手段によって検出された方位ごとの中心周波数の確度が一定の基準に満たないときに、中心周波数推定手段で推定された中心周波数を選択することで、航跡の泡の存在等によって受信信号そのものから中心周波数が正確に得られない場合でも、推定値をもって中心周波数とすることができる。また、帯域幅については、操作部での設定に従って検出値または推定値の選択を行うことで、いずれの帯域幅を使うかをユーザにおいて任意に決定することができる。
【００１８】
本発明の好ましい実施形態では、周波数シフト手段および可変帯域幅フィルタを、受信信号を走査してビームを形成するビーム形成部の後段に設ける。これによると、ビーム形成後の受信信号の帯域幅は、ビーム形成前の帯域幅に比べて狭くなっているので、可変帯域幅フィルタの帯域幅を非常に狭くすることができ、ＳＮ比を一層向上させることができる。
【００１９】
本発明では、可変帯域幅フィルタから出力される信号に基づいて聴音信号を発生させるようにしてもよい。これによると、視覚だけでなく聴覚によっても魚群の動き等を把握することができる。この場合、ベースバンドに周波数シフトされた聴音方位に対する中心周波数を、ドップラシフト周波数分だけ逆シフトする第１の聴音ミキサと、この第１の聴音ミキサから出力される信号の中心周波数を、聴音信号として最適な周波数帯域にシフトする第２の聴音ミキサとを設けることで、対象物の移動速度に応じたドップラシフトを含む聴音出力を得ることができる。
【００２０】
本発明において、受信信号の中心周波数および帯域幅を検出するには、複素自己相関法を用いるのが好ましい。これによると、複雑な構成をとらずに、方位ごとの受信信号の中心周波数と帯域幅をリアルタイムに検出することができる。
【００２１】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施形態をスキャニングソナーを例にとって説明する。なお、本発明のスキャニングソナーによる水中探知の原理は、図１２と同じであるから説明は省略する。図１は、本発明に係るスキャニングソナーの電気的構成を示したブロック図である。スキャニングソナーは、送受波器１、送信部２、送受切替部３を備えており、また、４〜１２の各ブロックから構成される受信部を備えている。送受波器１は、水中に超音波を送波し、また水中から帰来する超音波のエコーを受波するもので、円筒体の表面に多数の超音波振動子が配列された公知の構造を有している。送信部２は、所定のパルス幅をもった送信信号を生成し、これを送受波器１に供給する。送受切替部３は、送信時と受信時とで信号の通路を切り替える回路で、送信時は送信信号のみを通過させ、受信時は受信信号のみを通過させる。
【００２２】
４は受信部に設けられた１段目の固定帯域フィルタであって、送受波器１が受波したエコーより得られる受信信号の中から、必要な周波数帯域の信号を取出すためのフィルタである。５は増幅器であって、固定帯域フィルタ４を通過した受信信号を増幅するものである。６はミキサから構成される周波数変換部であって、増幅された信号の周波数をシフトさせて中間周波数に変換するものである。７は２段目の固定帯域フィルタであって、周波数変換された信号に含まれる不要な側波帯の信号を除去して、周波数帯域をさらに絞るためのフィルタである。８は増幅器であって、受信信号を次段のＡ／Ｄ変換器９の入力レベルまで増幅するものである。Ａ／Ｄ変換器９は、増幅された受信信号をデジタル信号に変換するものである。１０はビーム形成部であって、受信信号に対して水平方向に連続走査を行うことにより、ビームを形成するものである。
【００２３】
１１は本発明の特徴部分をなす自動帯域制御部であって、ビーム形成後の受信信号の中心周波数や帯域幅を分析して信号を有効な帯域幅に絞るものである。この自動帯域制御部１１の出力は２系統あって、一方は検波部１２に与えられ、他方は図示しないスピーカに与えられる。検波部１２は、帯域幅が絞られた受信信号の包絡線を検出するものである。検波部１２の出力は、図示しない表示装置へ送られる。１３はＣＰＵやメモリから構成されるコントローラであって、自動帯域制御部１１の動作を制御する。なお、このコントローラ１３は、もともとスキャニングソナーに備わっている送受信コントローラによって構成されており、送信部２や表示装置などに対する制御も行なう。１４は各種設定を行うためのキーやスイッチ等を備えた操作部、１５は船速を検出するための速度センサ、１６は船首方位を検出するための方位センサであって、これらの出力はコントローラ１３に取り込まれる。
【００２４】
上記構成において、送信部２は送受切替部３を介して、所定周波数のパルス信号を送信信号として送受波器１に供給する。送受波器１はこの信号を超音波に変換して、水中へ超音波ビームを発射する。発射された超音波は水中の魚類等で反射し、そのエコーが送受波器１で受波される。送受波器１は、受波した超音波を電気信号に変換し、この信号を受信信号として受信部へ送る。受信部では、まず固定帯域フィルタ４において、受信信号中に含まれている不要な雑音が除去され、所定の周波数帯域の信号のみが取り出される。取り出された信号は、増幅器５で増幅され、周波数変換部６で中間周波数に変換された後、固定帯域フィルタ７で不要な側波帯の信号が取り除かれ、さらに増幅器８で増幅されて、Ａ／Ｄ変換器９でデジタル信号に変換される。ビーム形成部１０は、水平方向の走査によって受信信号のビームを形成する。以上の動作は、図１０の場合と同じである。
【００２５】
ビーム形成部１０でビームが形成された受信信号は、自動帯域制御部１１へ入力される。自動帯域制御部１１の詳細については後で詳しく述べるが、ここでは受信信号から各方位ごとの中心周波数や帯域幅が検出され、これらに基づいて帯域幅が絞られたＳＮ比の高い信号が生成される。この信号は検波部１２へ送られ、検波部１２では信号の包絡線を検出して、そのデータを後段の表示装置へ出力する。表示装置では、上記データに基づいて魚群等の水中情報を表すエコーの映像が表示される。また、自動帯域制御部１１では聴音信号も生成され、この聴音信号はスピーカへ送られて、水中情報が聴音として出力される。
【００２６】
図２は、自動帯域制御部１１の具体的構成を示したブロック図である。２０は周波数検出部であって、中心周波数検出部２１と帯域幅検出部２２とからなる。中心周波数検出部２１は、図１のビーム形成部１０から出力されるビーム形成後の受信信号から、各方位（水平方向）ごとの信号の中心周波数を検出する。帯域幅検出部２２は、ビーム形成後の受信信号から、各方位ごとの信号の周波数分散を検出する。周波数分散は、信号の周波数成分の広がりの程度を表すものであって、正確には帯域幅とは異なるが、帯域幅と比例関係にあると考えてよい。
【００２７】
周波数検出部２０において中心周波数や周波数分散をリアルタイムに検出するには、いくつかの方法があるが、本実施形態では複素自己相関法を用いる。複素自己相関法に従えば、
Ｚ（ｔ）＝Ｉ（ｔ）＋ｊ・Ｑ（ｔ）
の複素数形式で表される受信信号の平均中心周波数ｆｄ と周波数分散σ2 は、次式から算出される。
【数１】
0004737893.tif 000002
【数２】
0004737893.tif 000003
ここで、Ｒr（ｔ）およびＲi（ｔ）は、自己相関関数
Ｒ（ｔ）＝Ｒr（ｔ）＋ｊ・Ｒi（ｔ）
の実数部および虚数部であって、
Ｒr（ｔ）＝Ｉ（ｔ）・Ｉ（ｔ−１）＋Ｑ（ｔ）・Ｑ（ｔ−１）
Ｒi（ｔ）＝Ｉ（ｔ−１）・Ｑ（ｔ）−Ｉ（ｔ）・Ｑ（ｔ−１）
で表される。式（１），（２）におけるＴは受信信号の距離方向のサンプリング周期、ｎは同一方位から得られるデータ数である。また、式（２）の平方根として得られるσは、標準偏差を表している。周波数検出部２０では、上記の式（１）および式（２）の演算を各方位より受信される受信信号について行い、方位ごとの中心周波数と周波数分散（帯域幅）をリアルタイムに求める。なお、式（１）および式（２）をあらかじめテーブル化してメモリに記憶させておき、このテーブルを参照することにより、中心周波数と周波数分散を求めるようにしてもよい。
【００２８】
２７は中心周波数推定部であって、中心周波数検出部２１において受信信号から中心周波数を検出するのが困難な場合に、船速や船首方位に基づいてドップラシフト周波数を計算し、この計算値（推定値）を用いて実際の受信信号の中心周波数を推定するものである。この場合、速度センサ１５（図１）から得られる船速情報より、発生するであろう水平方向全周のドップラシフト周波数を演算する。水平方向に対するドップラシフト周波数Δｆは、次式から求めることができる。
【数３】
0004737893.tif 000004
ここで、Ｖは船速、ｆは信号の周波数、ｃは水中の音速、φは方位角である。方位角φは、船の進行方向に対して船首方向が０°、右舷方向が９０°、船尾方向が１８０°、左舷方向が２７０°となる。
【００２９】
なお、速度センサ１５は船体または送受波器１に取り付けられており、出力を時間積分して速度を得る加速度センサなどを用いることができる。また、加速度センサ以外に、ＧＰＳ受信機や潮流計などの装置を利用することもできる。この場合は、方位センサ１６から得られる船首方位情報を用いて、東西南北の速度ベクトルを送受波器１の前後左右の速度ベクトルに換算する。方位センサ１６としては、ジャイロ等が用いられる。
【００３０】
２８は帯域幅推定部であって、送受波器１に印加される送信信号のパルス幅から、受信信号の帯域幅を計算により推定する。送信信号のパルス幅をτとしたとき、受信信号の帯域幅は実質的に１／τとなる。たとえば、τ＝０．５ｍｓであれば、帯域幅は２ＫＨｚとなる。ただし、正確には、受信信号の帯域幅は送信信号のパルス幅だけで決まるのではなく、ビーム幅やドップラ効果が関係するため、信号帯域幅は１／τで計算した値よりも広くなる。そこで、送信パルス幅と俯角の情報をもとに補正係数を用いて演算を行うことで、帯域幅の推定精度を上げることができる。
【００３１】
以上述べた周波数検出部２０、中心周波数推定部２７、および帯域幅推定部２８は、１つのＤＳＰ（Digital Signal Processor）の中に組み込まれており、各ブロックの機能はソフトウエアによって実現される。
【００３２】
２３は、本発明の第１の選択手段を構成するマルチプレクサであって、中心周波数検出部２１で検出された中心周波数と、中心周波数推定部２７で計算されたドップラシフト周波数から推定される中心周波数のいずれを用いるかを選択するものである。この選択は、ＤＳＰからの中心周波数制御モード信号によって行われる。
【００３３】
２４は、本発明の第２の選択手段を構成するマルチプレクサであって、帯域幅検出部２２での検出結果に基づく帯域幅と、帯域幅推定部２８で推定された帯域幅のいずれを用いるかを選択するものである。この選択は、コントローラ１３からの帯域幅制御モード信号によって行われる。
【００３４】
２５は、マルチプレクサ２３で選択されたいずれかの中心周波数（検出値または推定値）に基づいて、受信信号の中心周波数をシフトさせ、ベースバンド信号を得る周波数シフト手段としてのミキサである。２６は、マルチプレクサ２４で選択されたいずれかの帯域幅（検出値または推定値）に対応して帯域幅が変化する可変帯域幅フィルタであって、最適値に調整された帯域幅によってミキサ２５から出力されるベースバンド信号の帯域を制限するものである。この可変帯域幅フィルタ２６の出力は、検波部１２へ与えられるとともに、次に述べる聴音ミキサ２９にも与えられる。
【００３５】
２９，３０は聴音ミキサであって、本発明の聴音信号発生手段を構成するものである。聴音ミキサ２９は、可変帯域幅フィルタ２６から出力される信号を取り込み、当該信号のベースバンドに周波数シフトされた聴音方位の中心周波数を、マルチプレクサ２３で選択された中心周波数に従ってドップラシフト周波数分だけ逆シフトするものである。聴音ミキサ３０は、聴音ミキサ２９で得られた信号の中心周波数を、聴音信号として最適な周波数帯域（１ＫＨｚ前後）にシフトするものである。
【００３６】
図３は、ある方位における受信信号の周波数スペクトラムとフィルタ特性を示した図であり、各図の横軸は周波数、縦軸は出力を表している。（ａ）は固定帯域フィルタ７の周波数特性、（ｂ）は自動帯域制御部１１に入力される受信信号のスペクトラム、（ｃ）はミキサ２５で中心周波数がシフトされたベースバンド信号のスペクトラム、（ｄ）は可変帯域幅フィルタ２６の周波数特性、（ｅ）は自動帯域制御部１１から出力される受信信号のスペクトラムである。
【００３７】
次に、自動帯域制御部１１の動作の詳細について説明する。中心周波数検出部２１は、ビーム形成後の受信信号を取り込み、前述の式（１）に従って、複素自己相関法により各方位（水平方向）の中心周波数を検出する。中心周波数検出部２１に入力される受信信号が、図３（ｂ）で示したような周波数スペクトラムを有しているとした場合、中心周波数ｆ１が式（１）により算出される。この中心周波数ｆ１は、ドップラ効果により方位ごとに異なっている。
【００３８】
一方、中心周波数推定部２７では、船速や船首方位に基づいて式（３）により各方位（水平方向）のドップラシフト周波数Δｆを計算する。このΔｆは、実際の受信信号に基づいて得られたものではなく、船速等に基づいて計算された理論値（推定値）である。Δｆが求まれば、ｆｏ＋Δｆから中心周波数ｆ１を推定することができる。ここで、ｆｏは周波数変換部６で周波数変換された受信信号の周波数である。
【００３９】
中心周波数検出部２１で得られた中心周波数（検出値）と、中心周波数推定部２７で得られた中心周波数（推定値）は、マルチプレクサ２３において、ＤＳＰからの中心周波数制御モード信号に従って、いずれか一方が選択される。すなわち、中心周波数検出部２１で得られた検出値の確度が一定基準以上である場合は、当該検出値が選択され、中心周波数検出部２１の検出値の確度が一定基準に満たない場合は、中心周波数推定部２７で得られた推定値が選択される。いずれを選択するかは、中心周波数検出部２１の検出結果に基づいてＤＳＰが判断する。
【００４０】
ここで、中心周波数検出部２１での検出値の確度が一定基準を満たすか否かの判断にあたっては、たとえば、複素自己相関法で求めた受信信号の分散とパワーを使用し、それらがあらかじめ定められた閾値以上であるかどうかを方位ごとに判定して、閾値以上である受信信号の中心周波数を抽出する。そして、この抽出されたデータの数が一定値以上であれば、その方位については検出値の確度は基準を満たしているとして、当該抽出された中心周波数を採用する。データ数が一定値に満たなければ、その方位については検出値の確度は基準を満たしていないとして、推定値を採用する。たとえば、航跡による泡が存在するとエコーを正確に受信できないことがあり、この場合は有効データ数が減少して検出値の確度が低下するので、推定値のほうを採用する。
【００４１】
一方、帯域幅検出部２２は、ビーム形成後の受信信号を取り込み、前述の式（２）に従って、複素自己相関法により各方位（水平方向）の信号の周波数分散を検出する。前述のように、この周波数分散は帯域幅と比例関係にあるので、周波数分散を求めることで、図３（ｂ）で示した受信信号の帯域幅ｗ２を検出することができる。
【００４２】
また、帯域幅推定部２８では、送信信号のパルス幅τに基づいて受信信号の帯域幅を計算する。この計算値も、実際の受信信号から得られたものではなく、理論値（推定値）である。前述のように、帯域幅は概ね１／τで算出され、この値でもって帯域幅ｗ２を推定することができる。
【００４３】
帯域幅検出部２２で得られた帯域幅（検出値）と、帯域幅推定部２８で得られた帯域幅（推定値）は、マルチプレクサ２４において、コントローラ１３からの帯域幅制御モード信号に従って、いずれか一方が選択される。検出値と推定値のいずれを用いるかは、ユーザが操作部１４（図１）であらかじめ設定するようになっており、コントローラ１３はこの設定に従って、マルチプレクサ２４の選択動作を制御する。
【００４４】
マルチプレクサ２３で選択された中心周波数の検出値または推定値は、ミキサ２５へ与えられる。ミキサ２５では、この検出値または推定値に基づいて、受信信号の中心周波数をシフトさせる。すなわち、図３（ｂ）の受信信号の中心周波数ｆ１を、図３（ｃ）のように、マルチプレクサ２３からの検出値または推定値に相当する分だけシフトさせる。この結果、受信信号はベースバンド（ｆ＝０）へ周波数シフトされることになる。こうして得られたベースバンド信号は、可変帯域幅フィルタ２６へ入力される。
【００４５】
一方、マルチプレクサ２４で選択された帯域幅の検出値または推定値は、可変帯域幅フィルタ２６へ与えられる。可変帯域幅フィルタ２６は、上記検出値または推定値に応じて、図３（ｄ）の帯域幅ｗ３が変化する。したがって、ミキサ２５から出力されるベースバンド信号の帯域は、可変帯域幅フィルタ２６によって当該信号に応じた最適の帯域に絞り込まれる。これによって、可変帯域幅フィルタ２６から出力されるベースバンド信号は、図３（ｃ）における雑音成分Ｙが除去されて信号成分Ｘのみが有効に取り出され、ＳＮ比の高い信号となる。この結果、表示装置には、海面反射エコー等の白色雑音のない鮮明な画像が表示される。
【００４６】
ところで、この可変帯域幅フィルタ２６の出力は、検波部１２へ送られるとともに、聴音ミキサ２９にも与えられる。聴音ミキサ２９は、マルチプレクサ２３で選択された中心周波数（検出値または推定値）に基づいて、ベースバンドに周波数シフトされた聴音方位の中心周波数をドップラシフト周波数分だけ逆シフトし、ドップラ効果による周波数のずれを含んだ信号に戻す。また、聴音ミキサ３０は、聴音ミキサ２９で逆シフトした中心周波数を、さらに聴音信号として最適な周波数帯域（１ＫＨｚ±α）にシフトする。たとえば、ドップラシフト周波数が＋５０Ｈｚであれば、１ＫＨｚ＋５０Ｈｚを中心周波数とし、ドップラシフト周波数が−２０Ｈｚであれば、１ＫＨｚ−２０Ｈｚを中心周波数とする。また、ドップラシフト周波数がゼロであれば、１ＫＨｚを中心周波数とする。この結果、聴音ミキサ３０からは１ＫＨｚ前後の周波数をもった聴音信号が出力される。この聴音信号はスピーカに送られて音声として出力されるため、自船に対する魚群等の移動方向を音によって識別することができる。そして、聴音ミキサ２９への入力信号は上述したようにＳＮ比が高いので、雑音の入り込まないクリアな聴音を得ることができる。
【００４７】
なお、図３はある方位の受信信号に対する処理を示したものであるが、別の方位についても同様の原理で、受信信号に対して周波数シフトと帯域制御の処理を行う。図４は別の方位において、中心周波数ｆ２をベースバンドにシフトする例を示している。ｗ４，ｗ５は、それぞれ図３のｗ２，ｗ３に対応する帯域幅である。このような周波数シフトと帯域制御の処理を、図５に示した船舶Ｓを中心とする各方位Ｄ１，Ｄ２，Ｄ３…ごとに行う。方位の数は任意に設定することができ、たとえば６°おきに６０個の方位が設定される。
【００４８】
以上述べた実施形態においては、周波数検出部２０において実際の受信信号から中心周波数や帯域幅を検出しているため、船速に基因するドップラシフトはもとより、それ以外の船体動揺や潮流、波浪等の外乱要因に基づいて発生する周波数シフトに対しても、中心周波数と帯域幅を検出することができる。また、送受波器１で受信された信号を用いて演算を行うので、他の機器から船速データを取得する必要がない。また、周波数検出部２０での検出値が使えない場合でも、中心周波数推定部２７や帯域幅推定部２８での推定値を用いて、周波数シフトおよび帯域制御を行なうことができる。そして、この周波数シフトと帯域制御は、帯域幅が絞られたビーム形成後の受信信号に対して行うため、可変帯域幅フィルタ２６の帯域幅ｗ３，ｗ５を非常に狭くすることができ、ＳＮ比が一層向上する。さらに、方位ごとに異なる中心周波数をベースバンドへシフトさせ、周波数を固定してから、可変帯域幅フィルタ２６で帯域を制御しているので、１個のフィルタで全周にわたる信号の帯域制御を行うことができ、ハードウエア構成が簡略化される。
【００４９】
なお、自動帯域制御部１１の構成は、図２に示したブロックをすべて備えている必要はなく、一部を省略したものであってもよい。たとえば、図６に示したように、図２における帯域幅推定部２８およびマルチプレクサ２４を省略し、帯域幅検出部２２の検出値だけで可変帯域幅フィルタ２６の帯域幅を制御するようにしてもよい。また、図７に示したように、図２における中心周波数推定部２７およびマルチプレクサ２３を省略し、中心周波数検出部２１の検出値だけでミキサ２５における周波数シフトを制御するようにしてもよい。また、推定値を用いない場合は、図８に示したように、図２における中心周波数推定部２７、帯域幅推定部２８、マルチプレクサ２３，２４を省略してもよい。さらに、聴音信号が不要な場合は、図９に示したように、図２における聴音ミキサ２９，３０を省略してもよい。また、図６〜図８において、聴音ミキサ２９，３０を省略することもできる。
【００５０】
本発明の実施形態としては、以上のほかにも種々の形態を採用することができる。たとえば、上記の例では、周波数検出部２０において中心周波数や周波数分散を求めるのに複素自己相関法を用いたが、これに代えてフーリエ変換法を用いることもできる。
【００５１】
また、上記の例では水平方向にスキャンする場合（水平スキャンモード）についてだけ述べたが、垂直方向にスキャンする場合（バーチカルスキャンモード）においても、水平方向を垂直方向に置き換えることで、同様の処理を行うことができる。
【００５２】
さらに、上記の例ではスキャニングソナーを例に挙げたが、本発明はこれ以外にも魚群探知機、ＰＰＩソナー、潮流計、測深計など、各種の水中探知装置に適用することができる。
【００５３】
【発明の効果】
本発明によれば、受信信号そのものから方位ごとの中心周波数を検出するので、種々の要因に基づく周波数シフトに対応することができ、また、受信信号から得られる帯域幅に応じて可変帯域幅フィルタの帯域幅が変化するので、方位ごとに信号の帯域幅が変動しても、最適の帯域制御によりＳＮ比の高い信号を得ることができる。さらに、中心周波数をシフトさせてから可変帯域幅フィルタで帯域制御を行うので、可変帯域幅フィルタは１個設けるだけでよく、簡単な構成で実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係るスキャニングソナーのブロック図である。
【図２】自動帯域制御部の具体的構成を示したブロック図である。
【図３】ある方位の受信信号の周波数スペクトラムとフィルタ特性を示した図である。
【図４】別の方位の受信信号の周波数スペクトラムとフィルタ特性を示した図である。
【図５】方位を説明する図である。
【図６】自動帯域制御部の他の例を示したブロック図である。
【図７】自動帯域制御部の他の例を示したブロック図である。
【図８】自動帯域制御部の他の例を示したブロック図である。
【図９】自動帯域制御部の他の例を示したブロック図である。
【図１０】従来のスキャニングソナーのブロック図である。
【図１１】船速による受信信号の周波数シフトを説明する図である。
【図１２】スキャニングソナーによる水中探知の原理を示した図である。
【符号の説明】
１    送受波器
１０  ビーム形成部
１１  自動帯域制御部
１３  コントローラ
１４  操作部
１５  速度センサ
１６  方位センサ
２０  周波数検出部
２１  中心周波数検出部（中心周波数検出手段）
２２  帯域幅検出部（帯域幅検出手段）
２３  マルチプレクサ（第１の選択手段）
２４  マルチプレクサ（第２の選択手段）
２５  ミキサ（周波数シフト手段）
２６  可変帯域幅フィルタ
２７  中心周波数推定部（中心周波数推定手段）
２８  帯域幅推定部（帯域幅推定手段）
２９  聴音ミキサ（聴音信号発生手段）
３０  聴音ミキサ（聴音信号発生手段）
【図１】
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【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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