JP2005061858A

JP2005061858A - Ｄｓｐを用いた魚群探知機

Info

Publication number: JP2005061858A
Application number: JP2003207578A
Authority: JP
Inventors: Yoshinori Miyamoto; 佳則宮本; Haruaki Han; 春明樊
Original assignee: Japan Science and Technology Agency
Current assignee: Japan Science and Technology Agency
Priority date: 2003-08-14
Filing date: 2003-08-14
Publication date: 2005-03-10

Abstract

【課題】ＤＳＰを用いて、ソフトウエアの変更だけで周波数、フィルタリングの種類を容易に変更することが可能な魚群探知機を提供する。
【解決手段】本発明のＤＳＰを用いた魚群探知機は、トランスデューサ、送受信用アンプとしてのアナログ回路部２２、ＡＤ変換するためのインターフェースユニット２１、ＤＳＰユニット２０、制御用ＣＰＵ１および表示部１１を備えている。ＤＳＰユニット２０では、送信信号の波形形成、変調・復調の調整を行いＤ／Ａ変換する。また、受信したアナログ反射信号をディジタル化して、復調・相関等の加工処理し表示部１１に送るシステムである。ＤＳＰを用いることにより、周波数やフィルタリングを自動的に変更できる。ディジタルフィルタリングにより、アナログフイルタは不必要となり、高いＳＮ比が得られ、分解能の向上と、反射強度の弱い生物の探知が可能となる。
【選択図】図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は魚群探知機に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来の魚群探知機の回路構成の一例を図３に示す。この従来の魚群探知機では、制御部１によりパルス発生回路２で送信パルスを発生させ、超音波送信アンプ３で増幅し送受信切替器４を介して送受波器（トランスデューサ）５で海中に送信している。即ち、送信部は、同期信号発生回路（クリスタル発信器）１２により使用周波数を決定し、パルス発生回路２のアナログ回路で送信パルスを発生させアナログ増幅器により増幅して送受波器（トランスデューサ）５から発信される。
【０００３】
魚や海底からの反射信号（エコー）は、トランスデューサ５で受信され、超音波受信アンプ６、狭帯域アナログフィルタ７、同じ魚のエコーであれば深度に関係なく同じ強さに調整する機能のＴＶＧ回路（ＴｉｍｅＶａｒｉｅｄＧａｉｎの略）８を経て、記録紙に記録されるか、又はＡ／Ｄ変換器９でＡ／Ｄ変換され、デジタルデータ処理部１０でエコーの信号強度により８から１６段階に判別されてカラー表示部（ＣＲＴ）１１等に表示される。
【０００４】
深度のある海域では、低い周波数（３２ｋＨｚなど）を用い、浅い海域や深度の浅い魚を詳細に調べる際には、高い周波数（１２０ｋＨｚや２００ｋＨｚ）を用いる。そのため、送信周波数も１周波数につき１回路が必要である。複数の周波数を短時間で切り替えて発信する場合、複数の回路をマルチプレクサなどで切り替える必要があり、煩雑な回路と制御が必要となる。このようなタイプのものは他にも知られている（例えば、特許文献１参照。）。図３のものでは制御部１およびカラー表示部１１を共通としているが、トランスデューサ５は別々になっている場合もある。
【０００５】
従来の魚群探知機でも送信パルスのパルス幅とパルス周期は変更が可能であるが、あくまでも一定パルス幅であり、複雑なパルスパターンを発生できるものではない。従って、パルス周期と反射体の深度が同じになると、反射信号が重なり反射体を分離することが不可能である。
【０００６】
魚群探知機の受信部では、トランスデューサ５で受信した超音波信号をバンド幅の狭い（Ｑが高い）アナログフィルタである狭帯域アナログフィルタ７を通して増幅し、必要な信号を取り出している。しかし、これでは周波数が異なれば、その分だけの受信回路が必要となる。また、重なってきた信号に対しては、ＴＶＧ回路８の後にＡ／Ｄ変換器９によりＡ／Ｄ変換をかけているので、信号のエンベロープしか検出できないので、一つの塊として信号を処理することになる。
【０００７】
ここでＴＶＧ回路は、魚群探知機において、ある物体に超音波があたった場合の反射波をどの深度（音を出してから帰ってくる時間とも言い換えることができる）でも同じ反射強度として調整する回路であり、同じ大きさの魚であれば、深度１０ｍでも深度１００ｍでも同じ強さで表示部に表示される。これがないと、深度が深く大きな魚と深度が浅く小さな魚が同じ信号強度で表示されることとなり、魚群探知機として不都合である。
【０００８】
従来の魚群探知機ではＴＶＧ回路は、ある一定の曲線で信号を増幅しているので、海域による細かな補正はできない。何故ならば、超音波の海中における速度が、塩分と温度により決定されることによる。既存の魚群探知機では、ＴＶＧの強さ（深い深度のエコーをどれぐらい強くするか）はある程度可能であるが、その補正曲線は一定の係数による。
【０００９】
【特許文献１】
特開平８−９４７５４号公報
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
このように、従来の魚群探知機でも送信パルスのパルス幅とパルス周期は変更が可能であるが、あくまでも一定パルス幅であり、複雑なパルスパターンを発生できるものではない。従ってパルス周期と反射体の深度が同じになると、反射信号が重なり反射体を分離することが不可能である。また、送信周波数も１周波数につき１回路が必要である。
【００１１】
そして、複数の周波数を短時間で切り替えて発信する場合、複数の回路をマルチプレクサなどで切り替える必要があり、煩雑な回路と制御が必要となる。また、魚群探知機の受信部では、トランスデューサーで受信した超音波信号をバンド幅の狭い（Ｑが高い）アナログフィルタを通して増幅し、必要な信号を取り出している。
【００１２】
しかし、これでは周波数が異なれば、その分だけの受信回路が必要となる。また、重なってきた信号に対しては、ＴＶＧ回路後にＡ／Ｄ変換をかけているので、信号のエンベローブしか検出できないので、一つの塊として信号を処理することになる。ＴＶＧ回路は、ある一定の曲線で信号を増幅しているので、海域による細かな補正はできななかった。
【００１３】
そこで本発明は、ＤＳＰ（ＤｉｇｉｔａｌＳｉｇｎａｌＰｒｏｃｅｓｓｏｒ）と呼ばれるディジタル信号高速処理マイコンを用いて、ソフトウエアの変更だけで周波数、フィルタリングの種類を容易に変更することが可能な魚群探知機を提供することを目的とする。
【００１４】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために、この発明の請求項１に係るＤＳＰを用いた魚群探知機は、送受波器（トランスデューサ）、送受信用アンプとしてのアナログ回路部、Ａ／Ｄ変換、Ｄ／Ａ変換を行なうインターフェースユニット、ＤＳＰユニット、制御用ＣＰＵおよび表示部を備え、受信したアナログ反射信号をディジタル化して、復調・相関等の加工処理し表示部に送るシステムからなり、制御用ＣＰＵ１が送信パルスの周波数やパルス幅、パルス間隔、パルス波形のデータを該ＤＳＰユニットに送出することにより、該ＤＳＰユニットは、ソフトウエアの変更だけで、周波数、フィルタリングの種類変更を可能にする構成とした。
【００１５】
この発明の請求項２に係るＤＳＰを用いた魚群探知機は、送受波器（トランスデューサ）、送受信用アンプとしてのアナログ回路部、Ａ／Ｄ変換、Ｄ／Ａ変換を行なうインターフェースユニット、ＤＳＰユニット、制御用ＣＰＵおよび表示部を備え、該ＤＳＰユニットは、波形形成機能、変調・復調機能、復調・相関機能、信号処理機能を有し、受信したアナログ反射信号をディジタル化して、復調・相関等の加工処理し表示部に送るシステムからなり、制御用ＣＰＵ１が送信パルスの周波数やパルス幅、パルス間隔、パルス波形のデータを該ＤＳＰユニットに送出することにより、該ＤＳＰユニットは、ソフトウエアの変更だけで、周波数・フィルタリングの種類変更を可能にする構成とした。
【００１６】
これにより、ＤＳＰと呼ばれるディジタル信号高速処理マイコンを用いるので、ソフトウエア変更だけで、周波数、フィルタリングの種類変更が容易であり、また、１台の魚群探知機で複数周波数を任意切り替え・送受信可能となり、既存の魚群探知機では分離できなかった弱い信号も探知可能になり、既存の魚群探知機に用いているＴＶＧ回路の補正をより正確にでき、海域や魚種に対する信号処理が容易にできる。また、送受信回路をすべてディジタル化することで、消費電力の低下、複数周波数でも共通回路で済むのでコストの削減ができ、魚群探知機として小型化、小電力化が実現できる。
【００１７】
【発明の実施の形態】
本発明はＤＳＰ（ＤｉｇｉｔａｌＳｉｇｎａｌＰｒｏｃｅｓｓｏｒの略）と呼ばれるディジタル信号高速処理マイコンを用いた魚群探知機に関するものである。次に、本発明の実施形態を図１、図２に基づいて以下に詳述する。
【００１８】
近年、ＤＳＰと呼ばれるディジタル信号高速処理マイコンが開発され、ＤＳＰを用いることで、送受信機の多くの部分をディジタル化することが可能となっている。このＤＳＰを用いることで、ソフトウエアの変更だけで周波数、フィルタリングの種類を容易に変更することが可能となる。
【００１９】
図１はＤＳＰを用いた魚群探知機の回路構成の実施形態である（図３と同じものには同符号を対応させている）。図において、１は制御用ＣＰＵ、３は広帯域の超音波送信アンプ、４は送受信切替器、５は送受波器（トランスデューサ）、６は広帯域の超音波受信アンプ、９はＡ／Ｄ変換器、１１は表示部、１２は同期信号発生回路（クリスタル発信器）、１３はＤ／Ａ変換器である。
【００２０】
本発明の特徴とするＤＳＰユニット２０は波形形成機能、変調・復調機能、復調・相関機能、信号処理機能を有するディジタル信号高速処理マイコンであり、従来装置のパルス発生回路、狭帯域アナログフィルタ、ＴＶＧ回路、ディジタルデータ処理部の機能を一体化したものである。Ａ／Ｄ変換器９、Ｄ／Ａ変換器１３によりインタフェス（ＩＦ）ユニット２１を構成し、超音波送信アンプ３および超音波受信アンプ６によりアナログ回路部２２を構成している。
【００２１】
本発明の魚群探知機では、制御用ＣＰＵ１により送信パルスの周波数やパルス幅、パルス間隔、パルス波形のデータがＤＳＰユニット２０に送られる。ＤＳＰユニット２０は、ソフトウエア変更だけで、周波数・フィルタリングの種類変更が容易にでき、データを受け取ったＤＳＰユニット２０は、データを基に波形形成を行ない、ディジタルデータとして波形を出力する。出力された波形は、Ｄ／Ａコンバータ１３でディジタルからアナログ波形に変化される。アナログ波形は超音波送信アンプ３で増幅され、送受信切替器４を経て送受波器（トランスデューサ）５から海中へ送信される。
【００２２】
魚や海底からの反射信号は、送受波器（トランスデューサ）５で受信され、超音波受信アンプ６で増幅され、Ａ／Ｄコンバータ９でディジタル波形に変換される。ディジタル波形データは、ＤＳＰユニット２０の狭帯域アナログフィルタ、ＴＶＧ回路、ディジタルデータ処理部の機能により、ディジタルフィルタリング、ＴＶＧ補正、更にディジタル送信波形とのパターンマッチング（ｍａｔｃｈｅｄｆｉｌｔｅｒ）を行い、その信号強度、受信時間などを制御用ＣＰＵ１に送信する。制御用ＣＰＵ１ではそれを画像化し表示部１１に表示する。
【００２３】
このようにＤＳＰユニットを用いることにより、１台の魚群探知機で複数周波数を任意に切り替えて送受信することが可能となり、送信パルスを任意のパターンで、ランダムに送信することが可能となる。また、受信側もディジタルフィルタリングを行うことで、各周波数ごとのアナログフィルタは必要なくなり、高いＳＮ比を得ることができる。
【００２４】
ディジタル送信波形とのパターンマッチング（ｍａｔｃｈｅｄｆｉｌｔｅｒ）による相関処理が可能となり、従来の魚群探知機で分離できなかった信号の分離が可能となり、海中ノイズに埋もれていた反射強度（ＴＳ）の弱い生物の探知が可能となる。
【００２５】
更に、従来の魚群探知機にあるＴＶＧ回路が水温、塩分等の考慮したより高精度な補正を行うことができ、海域や魚種に対する信号処理（ＴＶＧ等を含む）が容易にできると共に、ディジタルフィルタリングにより、分解能の向上と装置全体の小型化および省電力化が期待できる。
【００２６】
ｍａｔｃｈｅｄｆｉｌｔｅｒによる雑音中のパルスの検出の具体的実施例を図２のフローチャートに示す。この例では雑音信号波形Ａの中にある有用な信号の情報を引き出すフローチャートを示し、ＤＳＰは入力信号Ｓ（ｔ）の信号に適応するｍａｔｃｈｅｄｆｉｌｔｅｒのアルゴリズムで処理すると、出力Ｏｕｔ（ｔ）の波形は、入力信号Ｓ（ｔ）があるとき、図２の波形Ｂのように出力される。この時点でのｍａｔｃｈｅｄｆｉｌｔｅｒの出力信号の信号対雑音電力比Ｓ／Ｎは最大である。このことはＳｃｈｗａｒｚの不等式から得られる次式により証明できる。
【００２７】
次式でＧ（ｔ）は伝達関数として定義され、入力信号Ｓ（ｔ）とノイズＮ（ｔ）、Ｇ（ｔ）をフーリェ変換することにより、それぞれ、Ｓ（ｆ）、Ｎ（ｆ）、Ｇ（ｆ）として表わされる。
【００２８】
【数１】

【００２９】
数１で表わされるＳｃｈｗａｒｚの不等式Ｓ／Ｎが最大となる条件は、不等式が等式となる場合である。Ｇ（ｔ）の最適条件として、Ｇ（ｆ）＝Ｓ※（ｆ）／Ｎ（ｆ）の条件をＳｃｈｗａｒｚの不等式から求めることにより、最適なＧ（ｆ）を逆フーリェ変換で求めることができる（ここで、Ｓ※（ｆ）はＳ（ｆ）の共役複素数を表わす。）。
【００３０】
このように、入力信号により最適な伝達関数を求めることは、アナログ回路では不可能であり、ＤＳＰを用いることで解決される。一般的なＣＰＵによる上記の信号処理を行なうことは可能であるが、処理に負担がかかり、リアルタイムでの処理には問題が生じる。
【００３１】
このように、本発明のＤＳＰを用いた魚群探知機は、トランスデューサ、送受信用アンプとしてのアナログ回路部、ＡＤ変換するためのインターフェースユニット、ＤＳＰユニット、制御用ＣＰＵおよび表示部を備えている。ＤＳＰユニットでは、送信信号の波形形成、変調・復調の調整を行いＤ／Ａ変換する。また、受信したアナログ反射信号をデジタル化して、復調・相関等の加工処理し表示部に送るシステムである。ＤＳＰを用いることにより、周波数やフィルタリングを自動的に変更できる。
【００３２】
そして、ディジタルフィルタリングにより、アナログフィルタは必要がなくなり、高いＳＮ比が得られ、分解能の向上、反射強度の弱い生物の探知が可能となると共に、魚群探知機として、小型化、小電力化が実現でき、実用化の可能性は高く、既存の装置に備わっているＴＶＧ回路の補正をより正確にでき、海域や魚種に対する信号処理が容易にできる。
【００３３】
【発明の効果】
以上のように本発明の魚群探知機は、ＤＳＰと呼ばれるディジタル信号高速処理マイコンを用いるもので、ソフトウエア変更だけで周波数、フィルタリングの種類変更が容易である。また、１台の魚群探知機で複数周波数を任意切り替え・送受信可能となり、既存の魚群探知機では分離できなかった弱い信号も探知可能になり、既存の魚群探知機に備わっているＴＶＧ回路の補正をより正確にでき、海域や魚種に対する信号処理が容易にできる。
【００３４】
送受信回路をすべてディジタル化することで、消費電力の低下、複数周波数でも共通回路で済むのでコストの削減ができ、魚群探知機として小型化、小電力化が実現できる。また、ディジタルフィルタリングにするため、適切なフィルタリング係数やその方法が更新されたとしても、ソフトウエアの書き換えだけで対応できるので、製造コストの削減が可能となると共に、ディジタル化により、データの記録および配信が容易になり、データの視覚化の自由度も高くすることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明のＤＳＰを用いた魚群探知機の回路構成図。
【図２】ｍａｔｃｈｅｄｆｉｌｔｅｒによる雑音中のパルス検出のフローチャート図。
【図３】従来の魚群探知機の回路構成図。
【符号の説明】
１制御用ＣＰＵ
２パルス発生回路
３超音波送信アンプ
４送受信切替器
５送受波器（トランスデューサ）
６超音波受信アンプ
７狭帯域アナログフィルタ
８ＴＶＧ回路
９Ａ／Ｄ変換器
１０ディジタルデータ処理部
１１表示部
１２同期信号発生回路（クリスタル発信器）
１３Ｄ／Ａ変換器
２０ＤＳＰユニット
２１インタフェスユニット
２２アナログ回路部

Claims

送受波器（トランスデューサ）、送受信用アンプとしてのアナログ回路部、Ａ／Ｄ変換、Ｄ／Ａ変換を行なうインターフェースユニット、ＤＳＰユニット、制御用ＣＰＵおよび表示部を備え、受信したアナログ反射信号をディジタル化して、復調・相関等の加工処理し表示部に送るシステムからなり、制御用ＣＰＵ１が送信パルスの周波数やパルス幅、パルス間隔、パルス波形のデータを該ＤＳＰユニットに送出することにより、該ＤＳＰユニットは、ソフトウエアの変更だけで、周波数・フィルタリングの種類変更を可能にすることを特徴とするＤＳＰを用いた魚群探知機。
前記ＤＳＰユニットは、波形形成機能、変調・復調機能、復調・相関機能、信号処理機能を有することを特徴とする請求項１記載のＤＳＰを用いた魚群探知機。