博 士 （水産 科学）西 森靖

学 位 論 文 題 名マルチビームエコー積分法を用いた計量スキャニングソナーの開発と魚量計測手法に関する研究
学 位論文内容の要旨

音 響を用いた水産資源調査においては、下向きの魚群探知機に定量化機能を持たせた計量魚群探知機が1980年代より普及し始め、国内ではスケソウダラなどの中層性魚種の水産資源調査に活用されてきた。しかし計量魚群探知機は下向きの鋭いピームを使用するため、表層魚群や遊泳速度の速い魚に対しての計測が難しい。また、表層魚群の中には調査船の航走 雑音に対し、逃避行動を示すものが多いため、資源量計測の信頼性が低下するという課題があった。我が国の重要な水産資源である、イワシ、サパ、アジ、マグロ、カツオ、サン マ、等は、何れも表層性魚種であり、計量魚群探知機を用いた音響資源調査では常に魚群の逃避行動の影響が議論されてきた。これに対し、近年発達の著しいスキャニングソナーは、音響ピーム を水面下の全範囲に走査するため、探査範囲が飛躍的に拡大し、魚群の逃避行動の影響を受けない、魚群の探査が可能である。
しかしながら、従来 のスキャニングソナーは漁業効率の向上を主目的として発達してきたため 、ダイナミックレンジが狭く、しかも定量的なデータを出カすることができなかった。し かし、近年の電子技術の発達により、高い解像度でダイナミックレンジの広いスキヤニングソナーが実現可能となり、スキャニングソナーの長所を活かした水産資源調査への応用が期待されている。
スキャニングソナーを利用した資源量計測手法のーつに、定量化されたェコー強度の情報を用 いるエコー積分法があり、現在最も有望視されている。しかしながら、計量魚群探知機に比べて、音響ピーム数が格段に多く、多ピームによるエコー積分理論は未だ確立しー 905―

ていない。しかも魚への音響入射角度が不特定であるために、魚のターゲットストレングスの不確実性が増し、その実現には様々な難題を抱えている。
そこで 本研究 では、工 コー積 分法に基 づく計量ソナーの実用化のために、以下の主要課 題の解決 を目的 とした。 すなわ ち、1）定量化 と較正 が可能な 計量ソナーシステムの開発 、 2）魚 の三次 元平均夕 ーゲット ストレ ングスの 推定、 3）マ ルチピー ムエコ ー積
分理 論の確 立とフイ ールドに おける 検証、である。本研究で得られた結果は以下のように要 約され る。

1．定量化 と較正 が可能な 計量ソナ ーシス テムの開 発
球形ト ランスデ ューサを用いた漁業用マルチピーム型低周波スキャニングソナーFSV30をべースとして、広ダイナミックレンジを有するエコー生データの収録機能、および較正機能を有する計量ソナーシステムの開発を行った。さらにソナーシステムにフイールドにおける較正機能を組み込み較正精度の評価を実施した。水槽測定では近距離音場における測定誤差が問題となるが、近距離／遠距離音場の関係を理論的に求めて、測定誤差を低減し、正確な較正が可能であることを明らかにした。水槽測定結果から得られた感度、ピーム幅の較正値を用いて、フイールドにおいてターゲットストレングスが既知の標準球のエコーレベルを評価する事により、較正後の感度の精度を検証し、土1． 5dB以内の精度を確認した。さらにフイールドにおいて容易に感度やビーム幅を較正する手法を開発し、計量ソナーシステムに組み込んだ。

2.
魚の 三次元 平均夕ー ゲットストレングスの推定
ソナーの定量化されたエコー強度の積分量から魚量を算出するためには、一尾当りの平均夕 ーゲッ トストレ ングス (TS)を知る事 が必要となる。ソナーを用いて魚群を計測する
場合、魚に対して音響ピームはさまざまな方向から入射する。そのため、ソナーピームの入射方向を勘案し、三次元の魚のTSパターンに対して、魚の姿勢分布による平均化処理により求められる平均夕ーゲットストレングスっまり、三次元の平均TSが必要となる。しか―906
一

しながら、ソナー計測で用いることのできる三次元平均TSに関する知見は少ない。そこで、本研究では、まずFoote(1980)とFurusawa(1990，1999)の方法を参考にして、一般的なソナー用の三次元平均TSの式を導い た。その上で、魚の姿勢変化による三次元平均TSの変化特 性を理論的に検討した。次に、回転楕円体モデルを用いて魚単体のTSの三次元パターンの〃入特性を分析 し、異なる姿勢分布による三次元平均TSの基本特性を分 析した。本研究により、姿勢分布やソナービームの入射方 向をバラメータとして三次元平均TSを求める手 法を確立することができた。更に本手法を用いたシミュレーションにより、ソナーの水平或いは水平に近い方向での探知においては魚のピッチ角の影響は無視できるほど小さく、魚のヨー角特性 の影響を最も強く受けること、逆に垂直断面モードを含む俯角の大きいソナー探知では、魚群探知機と同様にピッチ角の影響が強くなることを定量的に示した。

3.マルチピームエコー積分法による 魚量算出理論の確立とフイールドにおける検証
計量魚群探知機におけるエコー積分理論は確立されているが、ソナーのエコー強度データの積分方法への 理論的なアプローチは、これまで十分なされていない。ソナーによる魚量算出は、ソナーにより求められた魚群体積と平均体積散乱強度Svを乗じた魚群夕ーゲッ
トストレ ングスとして算出可能であるが、ソナーのピーム幅に比べて魚群が十分大きい場合でないと、体積や平均Svは正確に求める事が出来ないため、本手法が使える条件は限られる。計量ソナーを広範囲の資源調査に応用するためには、体積や平均Svの計測精度に依．

存しない魚量算出アルゴルズムの確立が求めら れる。そこで、本研究では、魚群密度分布を理論的に与え、音響ピーム走査により得られる二次元、三次元像を光学分野における写像理論を用いて解析し、ソナーデータの積分量と魚群密度分布の関係式として厳密に求めた。 さらに、その関係式より、魚量算出アルゴリズムの導出を行い、水槽実験および漁獲試験 を行なって検証した。その結果、計量ソナーによる三次元あるいは二次元の定量化手法が 魚量推定に有効であることが分かった。本手法は、原理的にソナーの分解能による精度低下が生じない という大きな特徴を有しており、中、遠距離から広範囲に魚量計量を行う際に有効な方法といえる。このマルチピームエコー積分法と、ソナー用三次元TS推定法―907―

を組み合わせる事で、魚群中の尾数を算出する事が可能となった。
最後に、本研究で開発した計量ソナーを用いて、ノルウェーや国内の漁場においてフイールド評価を行い、計量ソナーによる推定魚量とソナー士による見積りや、漁獲データとの比較により、本手法の妥当性を確認した。

ー 908―

学位論文審査の要旨
主査
副査
副査
副査

教授
教授
教授
准教授

飯田浩二
齊藤誠一
古澤昌彦
向井 徹

学 位 論 文 題 名マルチビームエコー積分法を用いた計量スキャニングソナーの開発と魚量計測手法に関する研究
音響 を用いた 水産資源調 査におい て，計量 魚群探知 機は下向 きの鋭い ビームを使用する
ため ，探査範 囲が狭く， また逃避 行動を示 す表層魚 群の魚量 計測には 適していない。これに対 し，近年 発達の著し いスキャ ニングソ ナーは， 音響ビー ムを水面 下の全範囲に走査す
るた め，探査 範囲が飛躍 的に拡大 し，魚群 の逃避行 動の影響 を受けな い。しかしながら、従来 のスキャ ニングソナ ーは漁業 効率の向 上を主目 的として 発達して きたため、ダイナミック レンジが 狭く、しか も定量的 なデータ を出カす ることが できない 。しかし、近年の電子技 術の発達 により、高 い解像度 でダイナ ミックレ ンジの広 いスキャ ニングソナーが実現可能 となり、 スキャニン グソナー の長所を 活かした 水産資源 調査への 応用が期待されている。
スキ ャニング ソナーを利 用した魚 量計測手 法として ，魚群エ コー強度 を積分して定量化する ，エコー 積分法が有 望視され ているが ，計量魚 群探知機 に比べて ，ビーム数が格段に多く ，その処 理が複雑な ため，多 ビームに よるエコ ー積分理 論は確立 されていない。しかも 魚 へ の 音 響 入 射 が 横 方 向 と な る の で ， タ ー ゲ ッ ト ス ト レ ン グ ス (TS)の 不 確 実 性 が 増 大する 。
そこ で，本研 究ではまず ，定量化 したソナ ーデータ を取得す るために ，広ダイナミックレン ジを有し ，エコー生 データの 収録およ ぴ較正が 可能な低 周波型マ ルチビーム式計量ソナー システム の開発を行 った。本 システム をフイー ルドおよ ぴ水槽に おいて標準球を用いて 較 正 し た と こ ろ ， 土 1．

5dB以 内 の 精 度 を 確 認 す る こ と が で き た 。

一方 ，計量魚 群探知機に 茄けるエ コー積分 理論は確 立されて いるが、 ソナーのエコー強度デ ータの積 分方法への 理論的な アプロー チは、こ れまで十 分なされ ていない。計量ソナー を 広 範 囲 の 資 源 調 査 に 応 用 す る た め に は 、 体 積 や 平 均 Svの 計 測 精 度 に 依 存 し な い 魚 量 算
出ア ルゴリズ ムの確立が 求められ る。そこ で、理論 的に与え た魚群密 度分布から音響ビーム 走 査 に よ っ て 得 ら れ る 二次 元 、 三 次元 像 を ，光 学 分 野に 茄 け る写 像 理 論を 用 い て解 析 し 、ソナ ーデータ の積分量と 魚群密度 分布の関 係式とし て厳密に 求め，魚 量算出アルゴリズムの導 出を行っ た。この中 で，本手 法が，原 理的にソ ナーの分 解能によ る精度低下が生じないと いう 特徴 を有 して おり、 中、 遠距 離から魚量計量を行う際に特に有効であることを示した 。
っ ぎに ，ソ ナー の定 量化さ れた エコ ー強度の積分量から魚量を算出するためには、一尾当 り の 平均 ター ゲット スト レン グス (TS)を知 る事 が必 要と なる 。ソ ナー を用い て魚 群を計測 する 場合 、魚 に対 して音 響ビ ーム はさまざまな方向から入射する。そのため、ソナービー ムの 入射 方向 を勘 案し、 三次 元の 魚のTSパターンに対して、魚の姿勢分布による平均化処 理に より 求め られ る三次 元の 平均 TSが必要となる。そこで、回転楕円体モデルを用いて 魚 単 体 の TSの 三 次 元 パ タ ー ン の L/A特 性を 分析 し、 異ぬ る姿 勢分 布に よる三 次元 平均TSの 基本 特性 を分 析し た。本 研究 によ り、姿勢分布やソナービームの入射方向をパラメータと して 三次 元平 均TSを求め る手 法を 確立 した 。
最 後に 、本 研究 で開 発した 計量 ソナ ーを用いて、ノルウェーや国内の漁場においてフイール ド評 価試 験を 行い 、計量 ソナ ーに よる推定魚量とソナー士推定値や漁獲量との間に線形比 例関 係を 認め ，本 手法の 有効 性を 明ら かに した 。
審査員らが特に評価した点は以下である。
1． 漁業 用ソ ナー を発 展さ せて ，高 精度 ，広 ダイ ナミッ クレ ンジ の性能を有する，定量化と 較正 が可能 な全方 向探知 型の低周 波計量 ソナー を開発 したこ と。
2.測 定 の 困難 な魚の 三次 元TSを， 回転 楕円 体モ デル を用 いて 理論 的に 解析し ，計 量ソ ナー に よ る 魚 量 推 定 に 必 要 な ， 魚 の 三 次 元 平 均 TSを 推 定 す る 方 法 を 与 え た こ と 。
3.空 間 に 配置 した多 数の ビー ム走 査に より 得ら れた ，魚 群エ コー 信号 を積分 処理 する こと によ り， ビー ムの 分解能 に依 存せ ずに魚量情報を取得することができるマルチビームェ
コ ー積 分法 (3DMBEI)による 魚量 算出 理論 を導 いた こと 。
4. 3DMBEI理 論に 基づ き， 水平 スキ ャン モー ドに よるソ ナー デー タから，単体魚群の魚量を 推 定 す る実 用的な 方法 (2DMBEI)を考 案し ，計 量ソ ナー に実 装し て漁 獲試験 を行 い， その 有効 性を 示し たこ と。
これ らの 成果 は， 計量ソ ナー の普 及と表層魚種の資源調査や選択型漁業の実現に大きく
貢 献す るも ので あり ，審査 員一 同は ，申請者が博士（水産科学）の学位を授与される資格の ある もの と判 定し た。