(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
送受波器を用いて超音波を送受波し、送受波器を中心に広範囲の領域の水深および水底よりのエコーのレベルを検出し、その水深の基準値に対する変化量を求め、その変化量を前記エコーレベル信号に重畳して得たデータに基づき表示器に平面画として表示することを特徴とする水底探査装置。
【請求項２】
送受波器を用いて超音波を送受波し、送受波器を中心に広範囲の領域の水深および水底よりのエコーレベルを検出し、そのエコーレベルの基準値に対する変化量を求め、その変化量を前記水深データに重畳して得たデータに基づき表示器に平面画として表示することを特徴とする水底探査装置。
【請求項３】
水底に向けて超音波を送波した後、指向性の受波ビームを走査して、自船下方に扇形状に広がる領域よりのエコー信号を受波する送受波器を用い、その送受波器を所定のステップ角で旋回する毎に前記送受波の動作を繰り返すことにより、自船を中心に広範囲の領域を探査する水底探査装置において、前記エコー信号から水深および水底よりのエコーのレベルを検出し、その水深の基準値に対する変化量を求め、その変化量を前記エコーレベルに重畳して得たデータに基づき表示器に平面画として表示することを特徴とする水底探査装置。
【請求項４】
水底に向けて超音波を送波した後、受波ビームを走査して、自船下方に扇形状に広がる領域よりのエコーを受波する送受波器を用い、その送受波器を所定のステップ角で旋回する毎に前記送受波の動作を繰り返すことにより、自船を中心に広範囲の領域を探査する水底探査装置において、前記エコー信号から水深および水底よりのエコーのレベルを検出し、そのエコーレベルの基準値に対する変化量を求め、その変化量を前記水深データに重畳して得たデータに基づき表示器に平面画として表示することを特徴とする水底探査装置。
【請求項５】
船体の動揺に起因する深度データの誤差を低減するために、深度データに対し、自船直下から離れるに従い数値が低下するようなウエイトを設定する請求項１〜４のいずれかに記載の水底探査装置。
【請求項６】
水中物体よりのエコーレベルもしくはその深度を検出し、上記表示器に水中物体を表示する請求項１〜５のいずれかに記載の水底探査装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、水底に向けて放射した超音波のエコーから水底を探査する装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
本出願人は先に「水中探知装置」(特願平5-210646号)にて広範囲の領域を探知し、それを平面画として表示する水中探知装置を提案しており、ここでその技術内容を簡単に紹介する。
図１に示すように、船底に装着したアレイ型の送受波器１(後で詳述する)から海底に向けて扇状に広がる送波ビームＤｖを形成した後、指向性の鋭い受波ビームＲを、スキャンすることにより、帯状の領域Ｓ1(実際には側方でビームが拡がるために図２に示すように周囲で幅が広がる)に対して例えば水底深度を検出する。次に送受波器１を所定のステップ角で旋回してからこの送受波の動作を繰り返すことにより、図２に示した領域Ｓ2に対して同様に水底深度を検出する。送受波器を１８０°旋回した時点で、自船Ｑを頂点とし、円形の探査領域Ｓ0を底面とする３次元の領域がくまなく検出され、その検出結果に基づき、図３に示すように、表示器ＣＲＴに自船から広範囲の水底を眺めた時のようなＰＰＩ画による水底Ｚの深度図が完成する。
【０００３】
図４に示すように、送受波器による受波ビームを直下方向から一方の側方に向けて走査させるのであれば、送受波器を３６０°旋回する必要がある。
【０００４】
ここでは、単に最大のエコーを検出することで水底を捕えたが、水中物体と水底とのデータを識別する手段を備えれば、図５に示したように、水中物体Ｇのみを表示したり、図６に示したように、水中物体Ｇの表示領域外の背景部に対して水底Ｚを表示することができる。
【０００５】
図３の水底Ｚおよび図５の水中物体Ｇは、それらの信号のレベルあるいは信号に含まれる深度情報に応じて色別に表示したり、単色による濃淡表示することができる。これらの図３および図５の表示器ＣＲＴの右下に記したＨは深度またはエコーレベルを示すカラーバーである。
【０００６】
又、図６のように、水中物体Ｇおよび水底Ｚを同時に表示するのであれば、水中物体は、その信号レベルに応じて色別表示し、水底はその信号に含まれる深度情報に応じ、別色の色にて濃淡表示すると見易い表示となる。
【０００７】
更に、水中物体Ｇを通る方向の垂直断面画Ｆを、図６のごとく、表示器ＣＲＴ上の表示Ｅに併記して表示すれば、水底Ｚと水中物体Ｇとの深度関係を容易に把握することができる。
【０００８】
この装置によれば水深情報から海底の起伏状況を広範囲にわたって観測することができる。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
ところで小魚は海底に存在する突起物に集まる習性があり、小型漁船やプレジャーボートでは小魚を食べようとして集まってくる高級魚や大型を釣ろうとしている。突起物としては魚礁、人口魚礁、沈船などがあるが、そのような突起物を上述した水中探知装置で検知できれば漁獲効率のアップにつながる。
【００１０】
図７の断面画に示されるように、海底深度に比べて比較的高い突起物Ｕ1がある場合を示し、そのときはＰＰＩ描画に基づく平面画では、その突起物Ｕ1が明確に表示されている。一方、図８は、海底深度に比べて突起物Ｕ1の高さが低い場合を示し、その場合は突起物Ｕ1の深度変化の度合が僅かであるため、表示画で突起物は表示されない。又、船体が動揺すると、検出した深度に誤差が生じるが、探査箇所が自船から離れるに従ってその誤差が拡大される。その結果、平坦な海底に突起物があるかのような虚像が発生することもある。
【００１１】
従って本発明は、深度に比べて突起物の高さが低い場合でもその突起物を明確に検出でき、船体の動揺に起因する検出誤差を低減できる水底探査装置を提供することを目的とする。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
図９において、(ａ)図のように突起物として、海面下数百ｍの海底に沈船Ｕ1が半分埋まっていた場合の海底データを例にとる。左端の０、２５５の数値は深度を２５６に区分したものである。その海底データから深度情報のみをとれば、(ｂ)図のように、沈船Ｕ1の箇所で深度がＵ2のごとく僅かに盛り上がっている。このように海底の深度に対する沈船Ｕ１の高さの割合が小さいと、前述したようにこの深度データをそのまま表示してもＵ2は表示されない。(ｃ)図は、受波信号のレベルを表示したものであり、上述した突起物が沈船Ｕ1や魚礁の場合、その突起物の高さが海底深度に比べて小さくても、信号レベルで捕えれば、砂地の海底とこのような突起物とでは反射強度に大きく差があるために、Ｕ3で示すように大きく現れる。従って、(ｂ)図における深度の基準値(深度平均値)に対する変化量を抽出して、その変化量を(ｃ)図に重畳すると、(ｄ)図のごとく、沈船Ｕ1がＵ4のごとく大きく現れ、このデータに基づきＰＰＩ描画すれば、(ｅ)図のように沈船Ｕ1がＵ5のごとく明確に表示される。
【００１３】
図９のように、深度及びレベルが共に０〜２５５の２５６段階で示されており、これらの異種の信号を重畳する際、単純加算であってもよく、あるいは、変化量に補正係数を乗じた値を重畳してもよい。
【００１４】
図９では、レベル信号で突起物Ｕ1に対するレベル変化Ｕ3が顕著に検出されているので、深度変化量Ｕ2を重畳したことにあまり意味を持たないが、この深度変化量を重畳したことの理由は次の通りである。尚、レベル変化のみを表示する実施形態については後で述べる。
【００１５】
図９では、自船Ｑから見た沈船Ｕ1の入射角(直下方向となす角度)が大きい場合であったが図１０のごとく、自船Ｑの直下に沈船Ｕ1があるような場合には入射角が小さくなり、(ｃ)図のＵ3で示されるように、海底と沈船からの信号レベルは差が小さくなり、海底の底質によって殆ど差がなくなる場合もある。このような場合でも、その信号レベルに(ｂ)図の深度変化量Ｕ2を重畳すれば、(ｄ)図のＵ4のように、レベル変化量Ｕ4が強調されるために(ｅ)図のごとく表示器に表示される。
【００１６】
図９、図１０は、表示ベースを信号レベルとしたが、図１１は、レベルの基準値(レベル平均)に対する変化量を検出し、そのレベル変化量を深度に重畳したものであり、表示ベースを深度としている。
【００１７】
上述したように船体が動揺すると、深度データは、自船から離れるに従ってその誤差が大きく拡大され、虚像が発生したりする。本発明は、(深度要素＋レベル要素)の合算値に基づいて表示するものであるため、自船から離れるに従って深度のウエイトを低減し、その分、信号レベルで補うようにすれば、前述の誤差を抑制することができる。そのために、深度のデータに対して、自船直下から離れるに従い値が低下するようなウエイトを設定するようにしている。
【００１８】
【発明の実施の形態】
図１２は、本発明の水底探査装置の１実施形態を示した制御ブロック図である。１は、超音波の送波および受波を行う送受波器であり、図１３にその送受波１及びそれをステップ状に旋回させるためのモータＭおよび減速ギアＧからなる旋回機構部２を示している。この送受波器１は、図１４の平面図に示すように、方形の形態をなし、複数の振動子１Ａがアレイ状に並べられている。
【００１９】
送波時には、送受波器１における中央のいくつか振動子１Ａを同時に励振することにより、図１で示したような円錐体状に広がる送波ビームＵが得られ、そのエコーを受波する際には、各振動子１Ａの受波信号に対して、隣接する振動子間で一定の遅延量または移相量を与えることで、特定方向よりエコー信号に対して、各振動子１Ａの受波信号の位相が揃う結果、その特定方向に受波ビームＲが形成される。従って、前記遅延量を連続的に変えることで、送受波器１の直下方向を通り、かつ、送受波器１の振動子配列方向に拡がる帯状の領域Ｓ1に対して受波ビームＲが走査される。
【００２０】
２ａは、前記モータＭを駆動するための送受波器駆動部である。３は、送受波器１の各振動子１Ａに対して超音波送信用の駆動信号を供給する送信部であり、広範囲の指向性を得ることのできる駆動信号を供給する。４は、送受波器１で受波された信号を増幅・検波すると共に、前述したように受波ビームを走査させるために、各振動子１Ａよりの各検波信号に所定の遅延量を与える受信部である。５は、送信部３を制御すると共に、前述した受信部での制御を司る送受信系制御部である。
【００２１】
６は、受信部４より得られる受波信号をアナログからデジタルに変換するＡ／Ｄ変換器であり、その変換されたデジタル信号はバッファメモリ７に格納される。８は、極座標系のデータＤ(ｒ，θ)を直交座標系のデータＤ(Ｘ，Ｙ)に変換するための座標変換部であり、変換されたデータは、２次元配列の垂直断面画メモリ９および垂直断面画ビデオメモリ９ａに格納される。これらのＡ／Ｄ変換部６、バッファメモリ７および座標変換部８は、前記の送受波系制御部５よりのクロックに同期して動作する。
【００２２】
１０は、サンプリング回路であり、前記垂直断面画メモリ９に１垂直断面分のデータが格納されると、その垂直断面画メモリ９から深度方向に１ラインづつデータを読み出し、各１ライン毎にデータのピーク値を検出したときのアドレス(海底深度)またはそのピーク値と、そのピーク値を除いたデータからピーク値を検出したときのアドレス(水中物体の深度)と、先のピーク値(海底よりのエコーレベル)とを検出する。１１Ａは、サンプリング回路１０によりのエコーレベルと海底深度を記憶する海底データメモリであり、１１Ｂは、前記水中物体のエコーレベルおよび深度データを記憶する水中データメモリである。
【００２３】
１２は、表示系制御部であり、操作部１３より設定入力された表示用の各種データに基づき、前記送受信系制御部５に対し、旋回範囲や深度等の設定データを、サンプリング回路１０に対してはサンプリングの範囲(深度)をそれぞれ供給し、更に、海底データメモリ１１Ａよりのデータ、および水中データメモリ１１Ｂよりのデータを記憶するメモリ１２ａと、海底データ(レベル、深度)および水中データ(レベル、深度)の表示用とした色調テーブル１２ｂとを備え、この色調テーブル１２ｂを参照して作成した画像データをＰＰＩ画描画部１４へ供給し、そして、文字・記号描画部１５に対しては後記の表示器１９で表示する文字や記号に対する信号を送出する。本発明に係わる画像データの作成については後で詳しく述べる。１６は、ＰＰＩ描画部１４で作成されたＰＰＩ画の表示データを記憶するＰＰＩ画ビデオメモリであり、１７は、文字・記号描画部で作成された文字および記号画のデータを記憶する文字・記号画ビデオメモリである。
【００２４】
１８は、ビデオ信号変換部であり、各ビデオメモリ９ａ，１６，１７よりのビデオデータを深度別の色データ又は濃淡データに変換する。２０は、各ビデオメモリ９ａ，１６，１７およびビデオ信号変換部１８に対してクロックを供給するビデオクロック部である。
【００２５】
上記構成になる装置の動作を、図１５のフローチャートに従って詳述する。
初期設定として、ステップＳ１にて、操作部１３により、探索する深度範囲Ｌ1ないしＬ2(図１６を参照)、送受波器１のステップ旋回角等の情報を入力する。Ｌ2としては図１６に示すようにおおよそわかっている海底Ｚの深度より大き目の値を採用する。次のステップ３にて送波が行われ、ステップＳ４にて図１に示したように狭指向の受波ビームＲのスキャンが行われる。このスキャンにより、１垂直断面画分の受波データＤVが格納されると、ステップＳ５からステップＳ６に進み、図１７に示されるように、深度範囲Ｌ1ないしＬ2に従ってメモリ９から１ライン分のデータが読み出される。この１ライン分のデータは各受波ビームＲに相当する。尚、図１６は極座標系であるのに対して図１７では直交座標系で示されている。
【００２６】
ステップＳ７では、そのときのレベルピーク値とそのときの深度(海底深度)が検出され、ステップＳ８にて、レベルピーク値と深度データが海底データメモリ１１Ａに記憶される。ステップＳ９では全ライン(１垂直断面画分)の読み出しが終了したかが判定され、全ラインの読み出しが終了するまではステップＳ６〜ステップＳ８のループを繰り返す。
【００２７】
さて、１垂直断面画に対して全ラインの読み出しが終了すると、ステップＳ９からステップＳ１０に進み、海底データメモリ１１Ａのデータから自船Ｑ直下の海底深度Ｌ0(図１６参照)が認識される。次のステップＳ１１では、正確な深度Ｌ2として、Ｌ2＝Ｌ0−α＝Ｌ2'が採用される。
【００２８】
次のステップＳ１２では、再び垂直断面画メモリ９から１ラインづつ深度方向に読み出されるが、その際の深度範囲が、Ｌ1ないしＬ2(＝Ｌ0−α)となるため、水中物体よりのエコーデータのみが読み出され、ステップＳ１３にてそのレベルピーク値と深度データが検出され、ステップＳ１４にて水中データメモリ１１Ｂに記憶される。そして全ラインに対してデータが読み出されるまでステップＳ１２〜ステップＳ１４のフローを実行する。
【００２９】
このようにして全ラインに対してデータ読み出しが終了すればステップＳ１５からステップＳ１６に進み、表示系制御部１２において、１垂直断面画に対して深度データにエコーレベルが重畳される。このステップＳ１６の処理を図１８のサブルーチンにより詳述する。
【００３０】
ステップＳ２１にて海底データメモリ１１Ａの海底データが表示系制御部１２に読み込まれると、次のステップＳ２２で当該１垂直断面画に対して求められた海底深度Ｌ0を基準として、この１垂直断面画における深度の変化量ΔＤが演算される。次のステップＳ２３では、船の揺れ対策用として変化量ΔＤに対してウエイトが設定される。そのウエイト値としては、例えば、自船Ｑ直下で“１”のウエイトが両側で“０.３”まで直線的に低下する値を採用する。
【００３１】
これと並行して、レベルデータメモリ１１Ｃからレベルデータが表示系制御部１２に読み込まれると、ステップＳ２４からステップＳ２６に進み、深度に関係なく一定のレベル信号となるように補正するために、レベルデータに水平ＴＶＧのゲイン補正がなされる。そしてステップＳ２６では、レベルデータに深度の変化量ΔＤが重畳される。その重畳データは、ＰＰＩ描画部１４に送給される。
【００３２】
図１５に戻り、ステップＳ１７では、１垂直断面画に対する重畳データに基づき、色調テーブル１２ｂを参照してるＰＰＩ描画がなされ、ステップＳ１８では、ＰＰＩ描画が完成したかが判定され、完成するまでは、ステップＳ１８からステップＳ２に戻り、送受波器１がステップ角だけ旋回された後、上述した動作を繰り返すことにより、表示器１９に海底がＰＰＩ画として表示される。
【００３３】
図１９に本装置の表示例を示す。海底はレベルデータでもって下地色として表示される。高い突起物は、レベルデータに、深度の変化量が重畳されたものとして表示される。魚群は、その魚群データ(深度または信号レベル)に基づき表示される。自船位置から離れた(入射角の大きい)位置にある低い突起物は、深度の変化量(船体の動揺により誤差が大きい)がウエイト関数により抑えられるため主としてレベルデータに基づき表示される。
【００３４】
前記表示に魚群等の水中物体を表示する場合は、前記重畳データに水中データメモリ１１Ｂよりの水中データが付加される。そのとき、魚群および海底の表示を両者で明確に区別できるよう、例えば、魚群をその深度またはエコーレベルに応じて色別で表示し、海底を、その深度に応じて白−灰−黒の濃度変化で表示するとよい。
【００３５】
船舶が動揺した場合、探査領域が自船直下から遠くなる程、深度データの誤差が拡大される。従って上記のごとく深度データにウエイト関数を設定して、自船直下から離れた領域の信号レベルを減衰させ、その分、信号レベルで補うことにより、前述したような船体の動揺に伴う誤差を低減できる。
【００３６】
尚、このフローでは、垂直断面画メモリ９からのデータ読み出しおよびそのデータ処理が終了してから次の送受波器１の旋回および送受波に移行するが、実際に、メモリを２系統持つことにより、送受波とデータの処理とを並行して行なっている。
【００３７】
以上説明した実施形態(図９、図１０に対応)は、表示ベースを信号レベルとしたものであったが、表示ベースを深度とした本発明の第２の実施形態(図１１に対応)を述べる。
その場合の表示系制御部１２での制御を図２０に示す。ステップＳ３１で海底データメモリ１１Ａから１垂直断面画分のレベルデータが表示系制御部１２に取り込まれると、ステップＳ３１からステップＳ３２に進み、そのレベルデータに水平ＴＶＧのゲイン補正がなされ、次のステップＳ３３では、そのレベルから平均レベルが求められ、その平均レベルを基準としてレベルの変化量ΔＲが検出される。一方、海底データメモリ１１Ａの海底データが表示系制御部１２に読み込まれると、ステップＳ３４からステップＳ３５に進み、船の揺れ対策用として変化量ΔＤに対してウエイトが設定される。ステップＳ３６では、その深度データにレベルの変化量ΔＲが重畳され、その重畳データはＰＰＩ画描画部１４に供給される。
【００３８】
以上の実施形態は、２種の信号を重畳したものであったが、図２１は、本発明の第３の実施形態を示しており、ステップＳ４１にてレベルおよび深度の海底データが検出されると、ステップＳ４２では、海底データから一方の深度データが読み出され、ステップＳ４３では、その深度データから変化量が検出され、その変化量に対して、船の揺れ対策用としてウエイトが設定され、そのウエイト設定された変化量に応じた色調でＰＰＩ描画される一方、ステップＳ４５にて海底データの中からレベルデータが読み出され、ステップＳ４６では、上述した水平ＴＶＧが設定され、そのデータに基づき、背景として例えばモノトーンでＰＰＩ描画される。この表示例では高低差の大きい突起物となる。
【００３９】
図２２は、本発明の第４の実施形態を示しており、ステップＳ５１にてレベルおよび深度の海底データが検出されると、ステップＳ５２では、海底データから一方のレベルデータが読み出され、ステップＳ５３では、水平ＴＶＧが設定され、ステップＳ５４ではそのレベルデータから変化量が検出され、その変化量に応じた色調でＰＰＩ描画される一方、ステップＳ５５にて海底データの中から深度データが読み出され、ステップＳ５６では、上述したウエイトが設定され、そのデータに基づき、背景として例えばモノトーンでＰＰＩ描画される。この表示例では高低差の小さい突起物、即ち、人工魚礁等である。
【００４０】
【発明の効果】
以上説明したように、広範囲の領域に対して水深および水底よりのエコーレベルを検出し、その水深の基準値に対する変化量を求め、その変化量を前記エコーに重畳して得たデータに基づき表示器にＰＰＩ描画したので、水底にある突起物の高さや位置に関係なく、突起物が明瞭に表示される。この場合、すでに多用されている魚群探知機のように、信号レベルを表示ベースにして表示されるので、その表示像を視覚的に捕えやすい。
又、本発明の第２の実施形態では、エコーレベルの基準値に対する変化量を求め、その変化量を深度に重畳して得たデータに基づき表示器にＰＰＩ描画しており、上述の「水中探知装置」と同じような感覚で操作できる。
更に本発明では、検出した深度に単にウエイトを設定するだけで船体の動揺による深度誤差を低減しており、高価でかつ制御が煩雑となるセンサを必要としない。
本発明の第３、第４の実施形態のごとく、深度データもくしはレベルデータの変化量に基づきＰＰＩ描画したものであっても同等の効果を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】  水中探査装置での送受波ビームを示した図
【図２】  図１で用いた送受波器を旋回した時の探査領域を示した図
【図３】  水中探知装置で得られる海底の表示例を示した表示図
【図４】  図１の探査方法の変形例を示し図
【図５】  水中探知装置で得られる魚群の表示例を示した表示図
【図６】  海底および魚群のＰＰＩ表示に加えて１垂直断面画を併記した表示例
【図７】  断面画で示される水深情報に基づきＰＰＩ描画したときの表示例
【図８】  図７において突起物の高さが低く、かつ船体が動揺したときの表示例
【図９】  クレーム１の対応図
【図１０】  図９の別の動作モードを示した図
【図１１】  クレーム２の対応図
【図１２】  本発明の水底探査装置の実施形態を示した制御ブロック図
【図１３】  図１２の装置に用いられる送受波器とその駆動部を示した図
【図１４】  図１３の送受波器における平面図
【図１５】  図１２の装置の制御動作を示したフローチャート
【図１６】  図１２の送受波器による１走査で探査される水中の様子を示した図
【図１７】  図１６の垂直断面画メモリに記憶されたデータの読み出しを示した図
【図１８】  図１５のステップＳ１６に対する第１の実施形態の詳細を示したサブルーチン
【図１９】  図１２の水底探査装置で得られるＰＰＩ描画例
【図２０】  図１５のステップＳ１６に対する第２の実施形態の詳細を示したサブルーチン
【図２１】    本発明の第３の実施形態でなされる制御を示したフローチャート
【図２２】    本発明の第４の実施形態でなされる制御を示したフローチャート
【符号の説明】
１  送受波器
２  送受波器旋回機構部
２ａ  送受波既駆動部
３  送信部
４  受信部
５  送受信系制御部
６  Ａ／Ｄ変換器
７  バッファメモリ
８  座標変換部
９  垂直断面画メモリ
９ａ  垂直断面画ビデオメモリ
１０  サンプリング回路
１１Ａ  海底データメモリ
１１Ｂ  水中データメモリ
１２  表示系制御部
１２ａ  メモリ
１２ｂ  色調テーブル
１３  走査部
１４  ＰＰＩ画描画部
１５  文字・記号描画部
１６  ＰＰＩ画ビデオメモリ
１７  文字・記号画ビデオメモリ
１８  ビデオメモリ信号変換部
１９  表示器
２０  ビデオクロック部
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【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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