JP2006162294A - Bottom sediment detection system - Google Patents
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Abstract
Description
この発明は、マルチビーム方式で海底面に超音波パルス信号を送信して海底面で反射される超音波信号を受信することで、広範囲の水深を探知するとともに海底面の底質を探知する底質探知装置に関するものである。 The present invention detects a wide range of water depth and detects the bottom sediment of the sea bottom by transmitting an ultrasonic pulse signal to the sea bottom using a multi-beam method and receiving an ultrasonic signal reflected from the sea bottom. The present invention relates to a quality detection device.
従来、水深や海底の底質を推定(探知)する方法としてはシングルビーム方式のソナー装置を用いる場合と、マルチビーム方式のソナー装置を用いる場合とが存在する。シングルビーム方式のソナー装置は、送受波器から真下方向に超音波パルス信号を送信して、真下の海底面で反射した超音波信号を受信することで、この点での水深データおよび反射強度データを得て、水深および海底の底質を推定する。 Conventionally, as a method for estimating (detecting) water depth and bottom sediment, there are a case where a single beam type sonar device is used and a case where a multi-beam type sonar device is used. The single beam sonar device transmits ultrasonic pulse signals directly from the transducer and receives the ultrasonic signals reflected from the bottom of the ocean floor. To estimate the water depth and bottom sediment.
一方、マルチビーム方式のソナー装置は、特許文献1に示すように、海底方向の所定角範囲内に超音波パルス信号を同時に送信し、この所定角範囲内で互いに異なる探知方向とする複数の受波ビームを形成して、前記所定角範囲に応じた海底面領域の各区域における水深データを得る。この際、ソナー装置は受信する超音波信号の大きさ(振幅)を検知することで反射強度データを得る。
ところが、前述のシングルビーム方式では、真下方向からの超音波信号のみを用いて反射強度データを取得するので、受信される超音波信号に対する海底面の傾斜による影響を把握することができず、正確に反射強度データを取得することができない。これにより、底質を正確に推定することが難しかった。 However, in the above-mentioned single beam method, since the reflection intensity data is acquired using only the ultrasonic signal from directly below, it is impossible to grasp the influence of the inclination of the sea bottom on the received ultrasonic signal. The reflection intensity data cannot be acquired. This makes it difficult to accurately estimate the bottom sediment.
一方、従来のマルチビーム方式では、同時に複数の超音波パルス信号を放射するように送信して、探知領域内の各方向に受波ビームを形成するため、前述の海底面の傾斜による影響を除去することができる。しかしながら、真下方向から所定角を成す斜め下方へ送信された超音波パルス信号の超音波反射信号を受信する場合、真下方向と反射面積が異なるため、受波ビーム方向によって海底面の反射面積が変化して、この影響を除去することができない。このため、真下方向と斜め下方向とでは、同等の条件下での反射強度データを得ることができなかった。 On the other hand, in the conventional multi-beam method, a plurality of ultrasonic pulse signals are transmitted at the same time so as to form a receiving beam in each direction within the detection area, thereby removing the influence of the aforementioned seabed inclination. can do. However, when receiving an ultrasonic reflection signal of an ultrasonic pulse signal transmitted obliquely downward that forms a predetermined angle from directly below, the reflection area on the sea floor varies depending on the direction of the received beam because the reflection area differs from that directly below. Thus, this effect cannot be removed. For this reason, the reflection intensity data under the same conditions could not be obtained in the directly downward direction and the obliquely downward direction.
さらに、反射強度データから底質を推定する場合には、従来、海底面に対して法線方向に換算した反射強度データが必要であり、海底面の傾斜により影響を受けた反射強度データや、前述のような海底面に対して斜め方向の反射強度データでは正確な底質推定を行うことができなかった。 Furthermore, when estimating sediment from the reflection intensity data, conventionally, the reflection intensity data converted into the normal direction to the sea bottom is required, and the reflection intensity data affected by the inclination of the sea bottom, Precise sediment estimation could not be performed using the reflection intensity data oblique to the sea floor as described above.
したがって、本発明の目的は、マルチビーム方式を用いて、送受波器に対する海底面の位置によることなく、どの位置であっても海底面の法線方向に換算した反射強度データを取得して、正確に底質を推定することができる底質探知装置を提供することにある。 Therefore, the object of the present invention is to obtain the reflection intensity data converted into the normal direction of the sea bottom at any position, regardless of the position of the sea bottom relative to the transducer using the multi-beam method, An object of the present invention is to provide a bottom sediment detection device capable of accurately estimating bottom sediment.
この発明は、探知領域を構成する探知区域毎に水深および底質を探知する底質探知装置において、海底方向に所定角の範囲で送信された超音波信号に対して複数の受波ビームを形成し、該受波ビームにより得られる受信信号から該当探知区域の水深データを検出する水深検出手段と、受信信号から該当探知区域の受波ビーム方向の反射強度データを検出する反射強度検出手段と、水深データおよび反射強度データの検出時の自船位置、船首方向、および自船動揺量を検出する自船情報検出手段と、該自船情報検出手段で得られる各情報および水深検出手段で得られる水深データを用いて、反射強度データの海底面法線方向換算値を算出する法線方向換算値算出手段と、予め記憶されている反射強度データの海底面法線方向換算値と海底面の底質との関係を用いて反射強度データの海底面法線方向換算値から底質を推定する底質推定手段と、を備えたことを特徴としている。 The present invention is a bottom sediment detection device that detects water depth and bottom sediment for each detection area constituting a detection region, and forms a plurality of received beams with respect to an ultrasonic signal transmitted in a range of a predetermined angle in the seabed direction. Water depth detection means for detecting water depth data of the corresponding detection area from the received signal obtained by the received beam, and reflection intensity detection means for detecting reflection intensity data in the direction of the received beam of the detection area from the received signal; Obtained by own ship information detecting means for detecting own ship position, bow direction and own ship sway amount when detecting water depth data and reflection intensity data, and each information obtained by own ship information detecting means and water depth detecting means A normal direction converted value calculation means for calculating the converted value of the seafloor normal direction of the reflected intensity data using the water depth data, and the seabed normal direction converted value of the reflected intensity data stored in advance and the bottom of the seabed It is characterized by comprising a sediment estimating means for estimating the sediment from the sea bottom plane normal direction corresponding value of reflection intensity data using the relationship between the.
この構成では、水深検出手段にて水深データを検出した探知区域の海底面の反射強度データが反射強度検出手段により検出される。この反射強度データは受波ビーム方向の海底面反射強度であり、受波ビームの方向、すなわち、真下方向に対する角度の影響を受ける。例えば、海底面が完全に平坦な状態であっても、真下方向から水平面方向に受波ビーム方向(入射角)が変化すれば、反射強度も低下していく。法線方向換算値算出手段は、検出された受波ビーム方向の反射強度データととともに、この反射強度データに対応する水深データと、自船位置、船首方向、自船動揺量等からなる自船情報とを用いることで、検出された受波ビーム方向の反射強度データから海底面法線方向換算値を算出する。海底面の底質は反射強度データの海底面法線方向換算値、すなわち海底面法線方向に換算した散乱反射強度に依存するので、底質推定手段は、予め記憶されている海底面法線方向の反射強度と底質との関係を用いて、算出された海底面法線方向の反射強度データから底質を推定する。これにより、受波ビーム方向によることなく、海底面のどの位置(区域)においても同じ条件の反射強度データ(海底面法線方向の反射強度データ)が得られ、同条件で底質が推定される。 In this configuration, the reflection intensity detection means detects the reflection intensity data of the sea bottom of the detection area where the water depth data is detected by the water depth detection means. This reflection intensity data is the seafloor reflection intensity in the direction of the received beam, and is affected by the angle with respect to the direction of the received beam, that is, directly below. For example, even if the sea bottom is in a completely flat state, if the received beam direction (incident angle) changes from the direction directly below to the horizontal plane, the reflection intensity also decreases. The normal direction converted value calculation means includes the own ship's ship consisting of the detected reflection beam direction reflection intensity data, water depth data corresponding to this reflection intensity data, own ship position, bow direction, own ship sway amount, etc. By using the information, the sea bottom normal direction converted value is calculated from the detected reflection intensity data in the received beam direction. The bottom sediment is dependent on the value converted to the bottom normal direction of the reflection intensity data, that is, the scattered reflection intensity converted to the bottom normal direction. Using the relationship between the direction reflection intensity and the bottom sediment, the bottom sediment is estimated from the calculated reflection intensity data in the normal direction of the sea bottom. This makes it possible to obtain reflection intensity data (reflection intensity data in the direction of the sea bottom normal) under the same conditions at any position (zone) on the sea floor, regardless of the direction of the received beam, and to estimate sediment quality under the same conditions. The
また、この発明の底質探知装置の法線方向換算値算出手段は、自船情報検出手段で得られる各情報と、該当する反射強度データに対応する探知区域の水深データおよび該当する反射強度データに対応する探知区域に隣接する探知区域の水深データと、を用いて前記該当する反射強度データが得られる海底面上の探知区域の法線方向を検出する海底面法線方向検出手段と、該海底面法線方向と受波ビーム方向とから海底面上の探知区域への入射角を算出する入射角算出手段と、該入射角から海底面上の探知区域での超音波信号の反射面積を算出し、該反射面積を用いて反射強度データを補正する反射強度データ補正手段と、を備えたことを特徴としている。 Further, the normal direction converted value calculation means of the bottom sediment detection device of the present invention includes each information obtained by the own ship information detection means, the water depth data of the detection area corresponding to the corresponding reflection intensity data, and the corresponding reflection intensity data. Seabed normal direction detection means for detecting the normal direction of the detection area on the seabed where the corresponding reflection intensity data is obtained using the water depth data of the detection area adjacent to the detection area corresponding to The incident angle calculation means for calculating the incident angle to the detection area on the sea floor from the sea bottom normal direction and the received beam direction, and the reflection area of the ultrasonic signal in the detection area on the sea floor from the incident angle. And a reflection intensity data correction means for calculating and correcting the reflection intensity data using the reflection area.
この構成では、法線方向成分算出手段の海底面法線方向検出手段は、該当する反射強度データに対応する探知区域の水深データと隣接する探知区域の水深データとからなる少なくとも3つの水深データを用いることで、探知区域が存在する平面(海底面)に垂直な方向、すなわち海底面法線方向を検出する。具体的には、海底面法線ベクトルを算出する。次に、入射角算出手段は、算出された海底面法線方向と受波ビーム方向との成す角、すなわち海底面法線ベクトルと受波ビームベクトルとの内積を求めることで、超音波信号の入射角を算出する。このように算出された海底面への入射角を用いることで、反射強度データ補正手段は、探知区域の海底面の実質的な反射面積を算出して、この実質的な反射面積により受信信号(探知信号)から得られる受波ビーム方向の実測の反射強度データから反射面積の影響を取り除いた反射強度データを生成する。これが、入射角方向の反射強度データ言い換えれば余角方向の反射強度データとなる。 In this configuration, the sea bottom normal direction detecting means of the normal direction component calculating means outputs at least three water depth data consisting of the water depth data of the detection area corresponding to the corresponding reflection intensity data and the water depth data of the adjacent detection area. By using it, the direction perpendicular to the plane (sea bottom) where the detection area exists, that is, the sea bottom normal direction is detected. Specifically, the sea bottom normal vector is calculated. Next, the incident angle calculation means obtains the angle formed between the calculated bottom surface normal direction and the received beam direction, that is, the inner product of the bottom surface normal vector and the received beam vector, thereby obtaining the ultrasonic signal. The incident angle is calculated. By using the incident angle to the seabed calculated in this way, the reflection intensity data correction means calculates the substantial reflection area of the seabed in the detection area, and receives the received signal ( Reflection intensity data is generated by removing the influence of the reflection area from the actually measured reflection intensity data in the received beam direction obtained from the detection signal). This is the reflection intensity data in the incident angle direction, in other words, the reflection intensity data in the residual angle direction.
また、この発明の底質探知装置の法線方向成分算出手段は、送信させる超音波信号のパルス幅に応じて、算出する反射面積を補正する反射面積補正手段を備えたことを特徴としている。 Further, the normal direction component calculation means of the bottom sediment detection device of the present invention is characterized by comprising reflection area correction means for correcting the calculated reflection area according to the pulse width of the ultrasonic signal to be transmitted.
この構成では、送信される超音波パルス信号のパルス幅に応じて反射面積が変化するので、法線方向換算値算出手段の反射面積補正手段は、この変化量に応じて反射面積を算出する。これにより、前述の実測の反射強度データから、反射強度データ(受波ビーム方向に対する純粋な反射強度データ)を生成する一連の演算に対して、より正確な反射面積が用いられる。 In this configuration, since the reflection area changes according to the pulse width of the transmitted ultrasonic pulse signal, the reflection area correction means of the normal direction converted value calculation means calculates the reflection area according to the change amount. Thus, a more accurate reflection area is used for a series of operations for generating reflection intensity data (pure reflection intensity data with respect to the received beam direction) from the above-described actually measured reflection intensity data.
また、この発明の底質探知装置の法線方向換算値算出手段は、反射強度データ補正手段で補正された後の反射強度データとこの反射強度データの海底面法線方向換算値との関係を記憶する記憶手段を備えたことを特徴としている。 Further, the normal direction converted value calculation means of the bottom sediment detection device of the present invention provides the relationship between the reflection intensity data corrected by the reflection intensity data correction means and the sea bottom normal direction converted value of the reflection intensity data. It is characterized by having storage means for storing.
この構成では、前述の一連の演算で算出された反射強度データと、この反射強度データの海底面法線方向換算値との関係が予め設定されているので、法線方向換算値算出手段は、この関係を記憶手段から読み出して反射強度データの海底面法線方向換算値を検出する。 In this configuration, since the relationship between the reflection intensity data calculated by the series of operations described above and the sea bottom normal direction converted value of the reflection intensity data is set in advance, the normal direction converted value calculation means is This relationship is read from the storage means, and the sea bottom normal direction converted value of the reflection intensity data is detected.
また、この発明の底質探知装置は、底質推定手段により同じ底質と推定された複数の底質データと、該複数の底質データにそれぞれ対応した反射強度データとから、底質に基づく反射強度データと余角方向との関係を推定する反射強度余角特性推定手段を備えたことを特徴としている。 The bottom sediment detection device of the present invention is based on bottom sediment from a plurality of bottom sediment data estimated as the same bottom sediment by the bottom sediment estimation means and reflection intensity data respectively corresponding to the plurality of bottom sediment data. A reflection intensity residual angle characteristic estimation means for estimating a relationship between the reflection intensity data and the residual angle direction is provided.
この構成では、反射強度余角特性推定手段は、検出した複数の同質の底質データについて、これらの底質データに対応する反射強度データとその探知区域の余角(90°−(海底面入射角)))との関係をそれぞれ記録し、該当する底質での反射強度の余角(入射角)特性を推定する。これにより、今回探知した領域での底質とこの底質での海底面反射強度の余角特性、すなわち、今回探知した領域に特有の底質毎の反射強度余角特性が得られ、次回以降に現地を底質探知する際に参照される。 In this configuration, the reflection intensity residual angle characteristic estimation means, for the detected plurality of homogeneous sediment data, reflects the reflection intensity data corresponding to the bottom sediment data and the residual angle of the detection area (90 ° − (incident on the bottom of the seabed). The angle))) is recorded, and the residual angle (incident angle) characteristic of the reflection intensity at the corresponding sediment is estimated. As a result, the residual angle characteristics of the bottom sediment in this detected area and the bottom surface reflection intensity in this bottom sediment, that is, the reflected intensity residual angle characteristic for each bottom sediment peculiar to the detected area is obtained. It is referred to when detecting the bottom sediment in the field.
また、この発明の底質探知装置は、探知区域内に該当する複数の反射強度データの平均値を算出する平均値算出手段を備え、底質推定手段で、この反射強度データの平均値を用いて底質を推定することを特徴としている。 The bottom sediment detection device of the present invention further comprises an average value calculating means for calculating an average value of a plurality of reflection intensity data corresponding to the detection area, and the bottom sediment estimation means uses the average value of the reflection intensity data. It is characterized by estimating bottom sediment.
この構成では、探知区域として、ある程度の面積(例えば1m×1m)の単位探知範囲を用いることで、各探知区域にそれぞれ複数の受波ビームが存在する。このように、ある程度の面積の探知区域を用いることで、底質データがあまり細かくなりすぎず、必要最小限の底質データ群が得られるとともに、各探知区域内の複数の受波ビームに対応する反射強度データの平均値が得られ、反射強度データが平滑化される。 In this configuration, by using a unit detection range having a certain area (for example, 1 m × 1 m) as a detection area, a plurality of received beams exist in each detection area. In this way, by using a detection area of a certain area, the bottom sediment data is not too fine, the minimum necessary bottom sediment data group can be obtained, and it corresponds to multiple received beams in each detection area The average value of the reflected intensity data is obtained, and the reflected intensity data is smoothed.
また、この発明の底質探知装置は、推定された底質に基づき、探知領域全体の底質分布図を形成する底質分布形成手段を備えたことを特徴としている。 The bottom sediment detection device of the present invention is characterized by comprising bottom sediment distribution forming means for forming a bottom sediment distribution map of the entire detection area based on the estimated bottom sediment.
この構成では、底質散布図が形成されることで、これを表示すればオペレータに底質の認知をより容易に行わせられる。 In this configuration, the bottom sediment scatter diagram is formed, and if this is displayed, the operator can easily recognize the bottom sediment.
この発明によれば、各探知区域における海底面の法線方向の反射強度を受波ビームの方向によることなく正確に検出し、この検出結果に基づき探知領域の底質を正確に推定することができる。すなわち、高精度に底質推定を行うマルチビーム式の底質探知装置を構成することができる。 According to the present invention, it is possible to accurately detect the reflected intensity in the normal direction of the sea bottom in each detection area without depending on the direction of the received beam, and to accurately estimate the bottom quality of the detection area based on the detection result. it can. That is, it is possible to configure a multi-beam type bottom sediment detection device that performs bottom sediment estimation with high accuracy.
また、この発明によれば、得られた底質データと、この底質データに対応する反射強度データおよびその余角(入射角)とを保持することで、今後、同じ領域(海域)の底質探知を行う際に、反射強度データと底質とのより正確な相関関係を参照することができる。すなわち、より高精度な底質推定を行う底質探知装置を構成することができる。 In addition, according to the present invention, the obtained bottom sediment data, the reflection intensity data corresponding to the bottom sediment data, and the residual angle (incident angle) thereof are retained, so that the bottom of the same region (sea area) will be maintained in the future. When performing quality detection, it is possible to refer to a more accurate correlation between reflection intensity data and sediment. That is, it is possible to configure a bottom sediment detection device that performs bottom sediment estimation with higher accuracy.
本発明の実施形態に係る底質探知装置について図1〜図12を参照して説明する。
図1(a)は本発明の底質探知装置で利用するマルチビームソナーの原理について示した図であり、図1(b)は本発明の底質探知装置の概略構成を示すブロック図である。
図2は本発明の底質探知装置の概略動作フローを示すフローチャートである。
図3は図1(b)に示した底質探知装置の探知データ生成装置100の構成を示すブロック図である。
図4は図1(b)に示した底質探知装置の底質データ生成装置200の構成を示すブロック図である。
A sediment detection device according to an embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS.
FIG. 1 (a) is a diagram showing the principle of a multi-beam sonar used in the bottom sediment detection device of the present invention, and FIG. 1 (b) is a block diagram showing a schematic configuration of the bottom sediment detection device of the present invention. .
FIG. 2 is a flowchart showing a schematic operation flow of the bottom sediment detection device of the present invention.
FIG. 3 is a block diagram showing a configuration of the detection
FIG. 4 is a block diagram showing the configuration of the bottom sediment
本発明の底質探知装置ではマルチビームソナーを用いる。マルチビームソナーとは、図1(a)に示すように、船体の底部に備え付けられた送受波器102から所定の送波指向性で超音波信号を海底面方向に送信し、所定の受波指向性からなる受波ビームを形成することで探知信号(超音波反射信号)を得るものである。ここで、送波指向性とは、送受波器102から送信される超音波信号の指向性であり、本実施形態の場合では、真下方向を中心として左右舷方向(船首尾方向に垂直な水平方向)に所定の左右舷方向扇頂角(図1(b)では120°)で海底面方向へ扇状に広がり、船首尾方向に所定の船首尾方向扇頂角(図1(b)では1.5°)で海底面方向に扇状に広がる特性を示す。また、受波指向性とは、複数の受波トランスデューサ132a〜312nが受信した超音波反射信号により形成される単独の受波ビームの指向性を示し、所定の船首尾方向扇頂角(図1(b)では20°)で海底面方向へ扇状に広がり、所定の左右舷方向扇頂角(図1(b)では1.2°で海底面方向へ扇状に広がる特性を示す。このような送波指向性および受波指向性とすることで、船首尾方向に1.5°、左右舷方向に1.0°からなる単位探知区域からの探知信号を取得する。
The bottom detection device of the present invention uses a multi-beam sonar. As shown in FIG. 1 (a), the multi-beam sonar transmits an ultrasonic signal with a predetermined transmission directivity from the transmitter /
このようなマルチビームソナーを用いた底質探知装置は、図1(b)に示すように、探知信号から探知領域内の各単位探知区域の水深データおよび反射強度データを含む探知データを生成する探知データ生成装置100と、この探知データ100を用いて探知領域内の底質を推定して底質データを生成する底質データ生成装置200と、を備える。探知データ生成装置100には送受信機101が接続されており、この送受信機101に送受波器102が接続されている。また、探知データ生成装置100は測位装置400と動揺センサ401と船首方位センサ402とに接続されている。
As shown in FIG. 1B, the sediment detection device using such a multi-beam sonar generates detection data including water depth data and reflection intensity data of each unit detection area in the detection area from the detection signal. A detection
探知データ生成装置100は、制御部1、データ演算部2、自船情報検出部3、画像データ生成部4、および画像データ表示部5を備える。制御部1は、送受信機101に送受信制御を行うとともに、探知データ生成装置100全体の制御を行う。データ演算部2は統合データ生成部14、水深データ生成部15、および、反射強度データ生成部16を備える。水深データ生成部15は送受信機101の受信部12から入力される受波ビーム毎の探知信号と送信部11からの送信信号と自船情報検出部3からの動揺量および船首方向とを用いて水深データDPを生成する。反射強度データ生成部16は受波ビーム毎の探知信号から受波ビーム方向の反射強度データSSAを生成する。この際、反射強度データ生成部16は対応する探知区域の水深データDPに基づき、実測の反射強度データDRから水深による影響を取り除いた反射強度データSSAを生成する(図2,S1→S2)。統合データ演算部14は、水深データDPと反射強度データSSAと自船情報検出部3からの自船情報データ(自船位置、船首方位等)とを関連づけして統合データを生成する(図2,S3)。自船情報検出部3は測位装置400、動揺センサ401、および船首方向センサ402に接続され、測位装置400から得られる自船位置や船首方位等の測位情報と動揺センサ401から得られる動揺値とを用いて自船情報データを生成して、データ演算部2に与える。画像データ生成部4は統合データに基づいて探知領域を所定面積の探知区域毎に分割してマップ化し、各探知区域の水深データDPからなる海底地形図や反射強度データSSAからなる海底面反射強度分布図等の画像データを生成する。画像データ表示部5はこの画像データを表示画面上に表示する。これにより、探知領域の水深データや反射強度データをリアルタイムに表示する。なお、これら水深データおよび反射強度データはHDD等の記憶手段に記録しておき、オフラインで再生、表示することもできる。
The detection
送受信機101は制御部1からの送受信制御に基づき、送信タイミングで送信部11から送受波器102の各送波トランスデューサ131a〜131nに送信信号を出力し、受信タイミングで各受波トランスデューサ132a〜132nからの受信信号を入力して所定の信号処理(信号増幅等)を行い、データ演算部2に出力する。ここで、送受信機101は、送信タイミングには前述の送波指向性が実現されるように遅延処理および振幅処理を行った送信信号を出力し、受信タイミングには前述の受波指向性を備える各受波ビームを形成して受信信号から受波ビーム毎の探知信号を形成する。
Based on the transmission / reception control from the
送受波器102は、船首尾方向を配列方向として配列された複数の送波トランスデューサ131a〜131nと、左右舷方向を配列方向として配列された複数の受波トランスデューサ132a〜132nとを備える。これら送波トランスデューサ131a〜131n、受波トランスデューサ132a〜132nはそれぞれ所定の間隔(例えば、送受信する超音波信号の略1/2波長分の間隔)で配列されており、送波トランスデューサ131a〜131nは送受信機101の送信部11から入力される送信信号(電気信号)を超音波信号に変換して外部に出力し、受波トランスデューサ132a〜132nは外部からの超音波反射信号を受信信号(電気信号)に変換して送受信機101の受信部12に出力する。
The
底質データ生成装置200は、探知データ生成装置100から入力される統合データを用いて、探知領域全体を所定面積で区画分けしてなる単位メッシュ領域(本発明および前述の「探知区域」に相当する。)毎のメッシュデータを生成するとともに単位メッシュ領域の底質を推定して底質データを生成する制御演算部20と、該制御演算部20の各種演算時に用いる変換表や制御演算部20で生成した底質画像データやメッシュデータを記録するHDD30と、オペレータからの操作入力を受け付ける操作部40と、各画像データ等を表示する表示部50とを備える。このHDD30が本発明の「記憶手段」に相当する。
The bottom sediment
制御演算部20は、メッシュデータ生成部21、海底面法線ベクトル演算部22、反射強度データ補正部23、反射強度データ変換部24、メッシュデータ再形成部25、底質データ生成部26、および、底質画像データ生成部27を備える。ここで、制御演算部20は前記各機能部をソフトウェア構成で実現してもハードウェア構成で実現しても良い。
The
メッシュデータ生成部21は操作部40からの入力等により指示された単位メッシュ領域毎に該当する統合データを関連付けして単位メッシュ領域毎にメッシュデータを生成する(図2,S4)。この際、複数の統合データが1つの単位メッシュ領域に該当すれば、それぞれを含んだメッシュデータを形成する。例えば、探知を行う船舶の船速が遅い場合や、探知領域の所定方向を、これに垂直な方向に少しずつシフトさせながら往復動して探知をする場合のシフト量が少ない場合等では、同じ単位メッシュ領域に複数回の受波ビームが対応するので、単位メッシュ領域に複数の統合データを含むことになる。
The mesh
海底面法線ベクトル演算部22は、該当する単位メッシュ領域の統合データとこれに隣り合う単位メッシュ領域の統合データとから該当する単位メッシュ領域の海底面法線ベクトルを演算する(図2,S5)。この際、メッシュデータに含まれる水深データと反射強度データとの関係から、水深データが同じである、すなわち海底面上の位置が殆ど同じでありながら著しく異なる反射強度データSSAが存在する場合には、この反射強度データSSA等を削除する。
反射強度データ補正部23は、前記海底面法線ベクトルから該当する単位メッシュ領域における超音波信号の入射角θと海底面反射面積S(A)とを演算して、受波ビーム方向の反射強度データSSAを補正して反射強度データいわゆる散乱反射強度データSSを算出する(図2,S6→S7)。ここで、海底面反射面積S(A)は、超音波信号の送信パルスのパルス幅を考慮して算出する。
反射強度データ変換部24は、HDD30に予め記録されている法線方向変換表31を参照して反射強度データSSから海底面法線方向の反射強度データSS90を算出する(図2,S8)。ここで、海底面法線ベクトル演算部22が本発明の「海底面法線方向検出手段」に相当し、反射強度データ補正部23が本発明の「入射角算出手段」と「反射強度データ補正手段」と「反射面積補正手段」とに相当する。さらに、海底面法線ベクトル演算部22と反射強度データ補正部23と反射強度データ変換部24とが本発明の「法線方向換算値算出手段」に相当する。
The sea bottom normal
The reflection intensity
The reflection intensity
メッシュデータ再形成部25は、統合データ毎に得られた海底面法線方向の反射強度データSS90を単位メッシュ領域毎に平均化処理して、その平均値と標準偏差とを算出して、新たなメッシュデータとして別ファイルを形成する(図2,S9)。この際、前述の海底面法線ベクトル演算部22と同様に、海底面法線方向の反射強度データSS90が同じ単位メッシュ領域内の他の海底面法線方向の反射強度データSS90と著しく異なっていればこの海底面法線方向の反射強度データSS90を削除する。このメッシュデータ再形成部25が本発明の「平均値算出手段」に相当する。
The mesh
底質データ生成部26はHDD30に予め記録されている底質変換表32を参照して海底面法線方向の反射強度データSS90の平均値から該当する底質を推定して、底質データをメッシュデータに付け加える。具体的には、予め底質毎に閾値が設定された海底面法線方向の反射強度データSS90に対して、該当する単位メッシュ領域の海底面法線方向の反射強度SS90を比較して、照合する底質を意味する数値データを底質データとして算出する(図2,S10)。この底質データ生成部26が本発明の「底質推定手段」に相当する。
底質画像データ生成部27は探知領域全体の各単位メッシュ領域の底質データおよび水深データを含むメッシュデータを平面配列して底質画像データを生成し、HDD30に記録する(図2,S11)。この底質画像データ生成部27が本発明の「底質分布形成手段」に相当する。
そして、操作部40からの入力に従い、取得した底質画像データから、海底面底質分布図や底質を表示する鳥瞰図を生成して表示部50に表示させる。
The bottom sediment
The bottom image
Then, in accordance with the input from the
このような制御動作を行うことにより、探知領域全体の底質を推定して海底底質図等を生成することができる。 By performing such a control operation, it is possible to estimate the bottom sediment of the entire detection area and generate a sea bottom sediment map or the like.
なお、前述の説明では、メッシュデータの生成から底質画像データまでの生成を1つの装置で行ったが、反射強度データSSAの削除等の編集を行うことが可能な海底面法線ベクトル演算部22以降とメッシュデータ生成部21とをそれぞれ独立に操作可能な異なる装置により実現しても良い。
In the above description, the generation from the mesh data to the sediment image data is performed by one apparatus, but the sea bottom normal vector calculation unit capable of editing such as deletion of the reflection intensity data SSA. 22 and later and the mesh
次に、前述の各データの演算、算出、検出、推定方法について具体的に説明する。 Next, the calculation, calculation, detection, and estimation methods for the above-described data will be specifically described.
(1)受波ビーム方向の反射強度データSSAの算出方法
送受信機101の受信部12は、受波トランスデューサ132a〜132nからの受信信号(探知信号)を用いて、前述の送波領域の扇頂角を等分する方向を主方向とする受波ビームを形成する。例えば、前述の扇頂角が120°である場合に、この扇頂角に対して分解能を1°とする121本の受波ビームを形成する。このような受波ビームの形成により受波ビーム毎の実測の反射強度データ(以下、単に実測データと称す。)DRが得られると、受信部12はこれを増幅して、水深データ生成部15および反射強度データ生成部16に出力する。水深データ生成部15は送信部11の送信信号に基づく送信タイミングと入力された実測データDRに基づく受信タイミングとの遅延時間から水深データDPを演算する。
(1) Calculation Method of Reflection Intensity Data SSA in Received Beam Direction The receiving
反射強度データ生成部16は、入力された実測データDRと、水深データ生成部15から入力された水深データDPと、音源出力データSLとを用いて次式に示す演算を行い、反射強度データSSAを算出する。なお、これらの演算は対数値を用いて行う。
The reflection intensity
SSA=EL−EL1 −(1)
EL=DR−G+K −(2)
EL1=SL−Me−2TL+120 −(3)
ここで、Gは総合受信ゲイン、Kは変換定数、SLは音源出力、Meは受波感度、2TLは伝搬減衰である。総合受信ゲインGは、受信部12に備えられた増幅器全体で設定されたゲインで決定され、音源出力SLは、送受信機101の送信部11の送信レベル設定出力に応じて予め設定された真下方向の出力値と、送波指向性設定に応じて予め設定された真下方向から右舷、左舷方向に対する所定各方向のレベル調整量とにより決定される。また、受波感度Meはそれぞれに送受波器102によりそれぞれ予め測定されており、伝搬減衰2TLは水深による超音波反射信号の減衰量を示すもので、水深データにより設定されている。
SSA = EL−EL1− (1)
EL = DR-G + K- (2)
EL1 = SL-Me-2TL + 120- (3)
Here, G is the total reception gain, K is the conversion constant, SL is the sound source output, Me is the reception sensitivity, and 2TL is the propagation attenuation. The total reception gain G is determined by a gain set in the entire amplifier provided in the
(2)海底面法線ベクトル算出方法
反射強度データSSAが算出されると、この反射強度データSSAが対応する単位メッシュ領域の海底面法線ベクトル(以下、単に「法線ベクトル」と称す。)を、メッシュデータの各統合データを用いて算出する。この際、法線ベクトルは船首基準で算出する。
(2) Submarine Normal Vector Calculation Method When the reflection intensity data SSA is calculated, the sea bottom normal vector (hereinafter simply referred to as “normal vector”) of the unit mesh area corresponding to the reflection intensity data SSA. Is calculated using each integrated data of mesh data. At this time, the normal vector is calculated based on the bow reference.
具体的には、統合データの自船位置情報から得られる北基準の座標データと、動揺値から得られるロール角θr、ピッチ角θp、ヨー角θyと、水深データDPとから法線ベクトルが求められる。 Specifically, it is normal from the north reference coordinate data obtained from the ship position information of the integrated data, the roll angle θ r , the pitch angle θ p , the yaw angle θ y obtained from the fluctuation value, and the water depth data DP. A vector is required.
図5は海底面法線ベクトルの算出方法を示すフローチャートであり、図6は該当する単位メッシュ領域555(配列番号(m,n))の法線ベクトル算出の概念図である。 FIG. 5 is a flowchart showing a calculation method of the sea bottom normal vector, and FIG. 6 is a conceptual diagram of normal vector calculation of the corresponding unit mesh region 555 (array number (m, n)).
(2a)法線ベクトル演算式
1直線状に並ばない3つの単位メッシュ領域(位置)a,b,cの座標を、
a(xa,ya,za),b(xb,yb,zb),c(xc,yc,zc)
とする。
この場合、これら3つの単位メッシュ領域が存在する平面の単位法線ベクトルを、
n(xn,yn,zn)とすると、
(2a) Normal vector
a (x a , y a , z a ), b (x b , y b , z b ), c (x c , y c , z c )
And
In this case, the unit normal vector of the plane in which these three unit mesh regions exist is
If n (x n , y n , z n ),
と表される。これにより、北基準の単位法線ベクトルnが算出される。 It is expressed. Thereby, the north reference unit normal vector n is calculated.
このように算出された北基準の単位法線ベクトルnから、船首基準の単位法線ベクトルnfは、前記ロール角θr、ピッチ角θp、ヨー角θyを用いて、次式により算出される。 From the north reference unit normal vector n thus calculated, the bow reference unit normal vector nf is calculated by the following equation using the roll angle θ r , pitch angle θ p , and yaw angle θ y. The
(2b)法線ベクトルの算出方法
このような法線ベクトル演算を用いて次に示すフローで法線ベクトルを演算する。
(2b) Normal Vector Calculation Method A normal vector is calculated according to the following flow using such a normal vector calculation.
該当する単位メッシュ領域555(配列番号(m,n))の法線ベクトルを算出する場合、単位メッシュ領域555のメッシュデータに含まれる複数の水深データDPの平均値を算出する。これと同時に、単位メッシュ領域555に対して南北方向および東西方向に隣り合う4つの単位メッシュ領域554(配列番号(m,n−1)),556(配列番号(m,n+1)),545(配列番号(m−1,n)),565(配列番号(m+1,n))についても同様に水深データDPの平均値を算出する(図5、S51)。なお、この単位メッシュ領域毎の水深データDPの平均値演算は探知領域を構成する全部の単位メッシュ領域に対して同時に行っても良い。
When calculating the normal vector of the corresponding unit mesh region 555 (sequence number (m, n)), the average value of a plurality of water depth data DP included in the mesh data of the
次に、図6(b)に示すように、該当単位メッシュ領域555と、東隣の単位メッシュ領域556と、北隣の単位メッシュ領域565とを、単位メッシュ領域556、単位メッシュ領域555、単位メッシュ領域565の順で結ぶ方向を正方向として、すなわち、前述の法線ベクトル演算式(式(4a)〜式(4c))の位置a,b,cをそれぞれ単位メッシュ領域556,555,565に適用させて、前述の法線ベクトル演算式(式(4a)〜式(4c))を用いて法線ベクトルn1を演算する。
Next, as shown in FIG. 6B, the corresponding
これと同時に、図6(c)に示すように、該当単位メッシュ領域555と、北隣の単位メッシュ領域565と、西隣の単位メッシュ領域554とを、単位メッシュ領域565、単位メッシュ領域555、単位メッシュ領域554の順で結ぶ方向を正方向として、すなわち、前述の法線ベクトル演算式(式(4a)〜式(4c))の位置a,b,cをそれぞれ単位メッシュ領域565,555,554に適用させて、前述の法線ベクトル演算式(式(4a)〜式(4c))を用いて法線ベクトルn2を演算する。
At the same time, as shown in FIG. 6C, the corresponding
さらに、図6(d)に示すように、該当単位メッシュ領域555と、西隣の単位メッシュ領域554と、南隣の単位メッシュ領域545とを、単位メッシュ領域554、単位メッシュ領域555、単位メッシュ領域545の順で結ぶ方向を正方向として、すなわち、前述の法線ベクトル演算式(式(4a)〜式(4c))の位置a,b,cをそれぞれ単位メッシュ領域554,555,545に適用させて、前述の法線ベクトル演算式(式(4a)〜式(4c))を用いて法線ベクトルn3を演算する。
Further, as shown in FIG. 6D, the corresponding
また、さらに、図6(e)に示すように、該当単位メッシュ領域555と、南隣の単位メッシュ領域545と、東隣の単位メッシュ領域556とを、単位メッシュ領域545、単位メッシュ領域555、単位メッシュ領域556の順で結ぶ方向を正方向として、すなわち、前述の法線ベクトル演算式(式(4a)〜式(4c))の位置a,b,cをそれぞれ単位メッシュ領域545,555,556に適用させて、前述の法線ベクトル演算式(式(4a)〜式(4c))を用いて法線ベクトルn4を演算する。このように、該当単位メッシュ領域555を含む平面領域に対する4つの単位法線ベクトルn1〜n4を算出する(図5、S52)。
Furthermore, as shown in FIG. 6E, the corresponding
次に、これら算出された単位法線ベクトルn1〜n4の各成分をそれぞれに平均値処理して(図5、S53)、北基準の単位法線ベクトルnを算出する(図5、S54)。すなわち、各単位法線ベクトルn1〜n4のx成分xn1〜xn4の平均値xnaと、y成分yn1〜yn4の平均値ynaと、z成分zn1〜zn4の平均値znaとを算出し、これら平均値xna,yna,znaを直交3成分とする北基準の単位法線ベクトルnを算出する。 Next, each component of the calculated unit normal vectors n1 to n4 is averaged (FIG. 5, S53), and a north-reference unit normal vector n is calculated (FIG. 5, S54). That is, the average value x na x-component x n1 ~x n4 of the unit normal vector n1 to n4, and the average value y na of y component y n1 ~y n4, the average value z of the z-component z n1 to z n4 na is calculated, and a north reference unit normal vector n having these three average values x na , y na , and z na as three orthogonal components is calculated.
そして、前述の式(6)を用いて、算出された北基準の単位法線ベクトルnから船首基準の単位法線ベクトルnfを算出する(図5、S55)。 Then, using the above equation (6), the bow-based unit normal vector nf is calculated from the calculated north-based unit normal vector n (FIG. 5, S55).
(3)海底面入射角(超音波入射角θ)の算出
超音波信号(探知信号)の方向ベクトルs(xs,ys,zs)は、各受波ビームの指向性の中心方向と真下方向との成す角αと、受波ビーム番号とから、次式を用いて算出される。ここで、受波ビーム番号とは、スキャニングを行う扇形状の一方端から他方端にかけて所定角(分解能に相当)の間隔で離散的に連続する受波ビームに設定する通し番号である。例えば、左右舷方向に120°で開口するスキャニング領域を分解能1°で受波ビームを形成する場合、121本の受波ビームが形成される。この121本の受波ビームに対して、例えば右舷側端部の受波ビームを1番とし、真下方向の受波ビームを61番とし、左舷側端部の受波ビームを121番とするものである。
(3) Calculation of the sea bottom incident angle (ultrasonic incident angle θ) The direction vector s (x s , y s , z s ) of the ultrasonic signal (detection signal) is the central direction of the directivity of each received beam. It is calculated using the following equation from the angle α formed with the direct downward direction and the received beam number. Here, the received beam number is a serial number set to a received beam that is discretely continuous at a predetermined angle (corresponding to resolution) from one end of the fan-shaped scanning to the other end. For example, when receiving beams are formed at a resolution of 1 ° in a scanning region that opens at 120 ° in the horizontal direction, 121 received beams are formed. Of these 121 received beams, for example, the received beam at the starboard side end is No. 1, the directly received beam is No. 61, and the received beam at the port end is No. 121. It is.
このように受波ビーム番号を設定すると、超音波信号(探知信号)の方向ベクトルs(xs,ys,zs)は、 When the receiving beam number is set in this way, the direction vector s (x s , y s , z s ) of the ultrasonic signal (detection signal) is
ただし、iは受波ビーム番号
で算出することができる。
However, i can be calculated by the received beam number.
このように算出された超音波信号の方向ベクトルsと、前述法線ベクトルnfとを用いて、次式(式(9))から音波入射角(海底面入射角)θが算出される。 Using the direction vector s of the ultrasonic signal calculated in this way and the normal vector nf, the sound wave incident angle (sea bottom surface incident angle) θ is calculated from the following equation (Equation (9)).
また、この音波入射角θは船首尾方向成分θBと左右舷方向成分θSBとに分解することができる。 Further, the sound wave incident angle θ can be decomposed into a bow-tail direction component θ B and a left-right anchoring direction component θ SB .
図7は音波入射角θの船首尾方向成分θBと左右舷方向成分θSBとの関係を示す概念図である。 FIG. 7 is a conceptual diagram showing the relationship between the bow-direction component θ B and the left-right direction component θ SB of the sound wave incident angle θ.
方向ベクトルsに基づくsB(xs,0,zs)と、法線ベクトルnfに基づくnfB(xnf,0,znf)とを用いて次式(式(10))から音波入射角船首尾方向成分θBが算出される。 Sound wave incidence from s B (x s , 0, z s ) based on direction vector s and nf B (x nf , 0, z nf ) based on normal vector nf A corner bow direction component θ B is calculated.
方向ベクトルsに基づくsSB(0,ys,zs)と、法線ベクトルnfに基づくnfSB(0,ynf,znf)とを用いて次式(式(11))から音波入射角左右舷方向成分θSBが算出される。 Using s SB (0, y s , z s ) based on the direction vector s and nf SB (0, y nf , z nf ) based on the normal vector nf, the sound wave incidence from the following equation (Equation (11)) Sumihidari starboard direction component theta SB are calculated.
(4)海底面反射面積S(A)の算出
図8は、海底面反射面積S(A)を示す概念図であり、Axは海底面反射面積S(A)の船首尾方向長さ、Ayは海底面反射面積S(A)の左右舷方向長さ、dは該当海底面の位置の水深である。
(4) Calculation of the seafloor reflection area S (A) FIG. 8 is a conceptual diagram showing the seafloor reflection area S (A), where Ax is the length of the seafloor reflection area S (A) in the fore-and-aft direction, Ay. Is the horizontal direction length of the seafloor reflection area S (A), and d is the water depth at the position of the seabed.
このような場合、海底面反射面積S(A)は、Ax×Ayで表すことができ、Ax,Ayはそれぞれ次式(式(12a),式(12b))により算出される。 In such a case, the seafloor reflection area S (A) can be expressed by Ax × Ay, and Ax and Ay are calculated by the following equations (Equation (12a) and Equation (12b)), respectively.
これにより、海底面反射面積S(A)は、 As a result, the seafloor reflection area S (A) is
で算出される。 Is calculated by
ここで、θBsは海底面反射面積S(A)に関する船首尾方向の開始角度[deg.]を示し、θBeは海底面反射面積S(A)に関する船首尾方向の終了角度[deg.]を示す。θSBsは海底面反射面積S(A)に関する左右舷方向の開始角度[deg.]を示し、θSBeは海底面反射面積S(A)に関する左右舷方向の終了角度[deg.]を示す。 Here, θ Bs is the start angle in the stern direction with respect to the seafloor reflection area S (A) [deg. Θ Be is the ending angle [deg. ] Is shown. θ SBs is the start angle in the horizontal direction with respect to the bottom surface reflection area S (A) [deg. Θ SBe is the end angle [deg. ] Is shown.
船首尾方向の開始角度θBsは、超音波パルス信号(送信信号)の先頭がビームの最も遠い角度に到達した角度であるので、
θBs=θB+φB
と表される。この際、φBは船首尾方向の指向角(−3dB半角)であり、φB=((船首尾方向の角度分解能)/2)/cos(入射角)で表される。
The start angle θ Bs in the fore-and- aft direction is the angle at which the head of the ultrasonic pulse signal (transmission signal) has reached the farthest angle of the beam,
θ Bs = θ B + φ B
It is expressed. In this case, φ B is a directivity angle (−3 dB half angle) in the bow-stern direction, and is represented by φ B = ((angular resolution in the bow-tail direction) / 2) / cos (incident angle).
船首尾方向の終了角度θBeは、超音波パルス信号の最後尾がビームの最も近い角度θpwBeに対して船首尾方向成分θBから船首尾方向の指向角φBを差分したものよりも大きければ、
θBe=θB−φB
と表され、超音波パルス信号の最後尾がビームの最も近い角度θpwBeに対して船首尾方向成分θBから船首尾方向の指向角φBを差分したものよりも小さければ、
θBe=θpwBe
と表される。
The ending angle θ Be in the fore-and-aft direction should be larger than the difference in the directivity angle φ B in the fore-and-aft direction from the fore-and-aft direction component θ B with respect to the angle θ pwBe at which the end of the ultrasonic pulse signal is closest to the beam If
θ Be = θ B −φ B
If the tail of the ultrasonic pulse signal is smaller than the difference of the directivity angle φ B in the bow- tail direction from the bow- direction component θ B with respect to the closest angle θ pwBe of the beam,
θ Be = θ pwBe
It is expressed.
なお、超音波パルス信号の最後尾がビームの最も近い角度θpwBeは超音波パルス信号のパルス幅pw[m]を用いて、 Note that the angle θ pwBe at which the tail of the ultrasonic pulse signal is closest to the beam is obtained by using the pulse width pw [m] of the ultrasonic pulse signal,
で算出される。ここで、パルス幅pwは、超音波パルス信号(送信信号)のパルス時間幅τ[ms]として、pw=c・τ/2である。 Is calculated by Here, the pulse width pw is pw = c · τ / 2 as the pulse time width τ [ms] of the ultrasonic pulse signal (transmission signal).
一方、正横方向の開始角θSBsは、超音波パルス信号(送信信号)の先頭がビームの最も遠い角度に到達した角度であるので、
θSBs=θSB+φSB
と表される。この際、φSBは左右舷方向の指向角(−3dB半角)であり、φSB=((u左右舷方向の角度分解能)/2)/cos(入射角)で表される。
On the other hand, since the start angle θ SBs in the lateral direction is the angle at which the head of the ultrasonic pulse signal (transmission signal) has reached the farthest angle of the beam,
θ SBs = θ SB + φ SB
It is expressed. In this case, φ SB is a directivity angle (−3 dB half angle) in the left-right eyelid direction, and is represented by φSB = ((u angle resolution in the left-right eyelid direction) / 2) / cos (incident angle).
左右舷方向の終了角度θSBeは、超音波パルス信号の最後尾がビームの最も近い角度θpwSBeに対して左右舷方向成分θSBから左右舷方向の指向角φSBを差分したものよりも大きければ、
θSBe=θSB−φSB
と表され、超音波パルス信号の最後尾がビームの最も近い角度θpwSBeに対して左右舷方向成分θSBから左右舷方向の指向角φSBを差分したものよりも小さければ、
θSBe=θpwSBe
と表される。
The end angle θ SBe in the left / right side direction is larger than the difference between the left / right side direction component θ SB and the left / right side direction angle φ SB with respect to the angle θ pwSBe at which the end of the ultrasonic pulse signal is closest to the beam If
θ SBe = θ SB −φ SB
If the tail of the ultrasonic pulse signal is smaller than the difference between the horizontal angle component θ SB and the horizontal angle directional angle φ SB with respect to the closest angle θ pwSBe of the beam,
θ SBe = θ pwSBe
It is expressed.
なお、超音波パルス信号の最後尾がビームの最も近い角度θpwSBeは超音波パルス信号のパルス幅pw[m]を用いて、 Note that the angle θ pwSBe at which the tail of the ultrasonic pulse signal is closest to the beam is obtained by using the pulse width pw [m] of the ultrasonic pulse signal,
で算出される。 Is calculated by
このような演算を用いることにより、海底面の反射面積S(A)が算出される。 By using such calculation, the reflection area S (A) of the sea bottom is calculated.
(5)反射強度データSS(余角方向の反射強度データ)の算出
前述のように反射強度データSSAと反射面積S(A)が算出されると、反射強度データSSは、
SS=SSA−10LOG(S(A))
から算出される。なお、この反射強度データSSは単位メッシュ領域に該当する全ての統合データの反射強度データSSAに対して行われる。
(5) Calculation of reflection intensity data SS (reflection angle data in the corner angle direction) When the reflection intensity data SSA and the reflection area S (A) are calculated as described above, the reflection intensity data SS is
SS = SSA-10LOG (S (A))
Is calculated from The reflection intensity data SS is applied to the reflection intensity data SSA of all integrated data corresponding to the unit mesh area.
ここで、一般に反射強度データSSは余角方向、すなわち、入射角θとした場合の90°−ABS(θ)の角度(90°から入射角θの絶対値を差分した角度)で定義されており前述の演算で算出された反射強度データSSが余角反射強度データとなる。 Here, in general, the reflection intensity data SS is defined by an additional angle direction, that is, an angle of 90 ° −ABS (θ) when the incident angle is θ (an angle obtained by subtracting the absolute value of the incident angle θ from 90 °). The reflection intensity data SS calculated by the above-described calculation becomes the after-angle reflection intensity data.
(6)海底面法線方向の反射強度データSS90の算出
前述のように反射強度データSS(余角方向の反射強度データ)が算出されると、予め設定して記憶された余角方向の反射強度データSSと海底面法線方向の反射強度データSS90との関係(例えば、図9に示す関係)から、各反射強度データSSを法線方向の反射強度データSS90に変換する。
(6) Calculation of reflection intensity data SS90 in the sea bottom normal direction When the reflection intensity data SS (reflection angle data in the corner angle direction) is calculated as described above, the reflection in the corner angle direction which is set and stored in advance. From the relationship between the intensity data SS and the reflection intensity data SS90 in the sea bottom normal direction (for example, the relationship shown in FIG. 9), each reflection intensity data SS is converted into the reflection intensity data SS90 in the normal direction.
図9は余角の大きさと反射強度データSSの大きさとの関係を示すグラフであり、余角90°すなわち入射角0°が真下方向を示し、余角が小さくなるほど水平方向を示す。また、グラフ中の各ラインは底質毎の反射強度データの余角特性を示しており、図9では、岩、砂、シルト、および粘土が示されている。 FIG. 9 is a graph showing the relationship between the magnitude of the after-angle and the magnitude of the reflection intensity data SS, where the remainder angle of 90 °, that is, the incident angle of 0 °, indicates the direct downward direction, and the smaller the remainder angle, the horizontal direction. Further, each line in the graph indicates the residual angle characteristic of the reflection intensity data for each sediment, and FIG. 9 shows rocks, sand, silt, and clay.
この図9に示すような底質毎の反射強度データの余角特性を表す法線方向変換表31が予めHDD30に記憶されており、前述の各演算で算出された反射強度データSSと余角とから法線方向(余角90°)の反射強度データSS90が演算される。
A normal direction conversion table 31 representing the residual angle characteristic of the reflection intensity data for each sediment as shown in FIG. 9 is stored in the
これを図9で概念的に示すと、図中の黒丸点に示す余角および反射強度データSSが得られると、これを挟む砂の特性曲線とシルトの特性曲線とから推定される中間的な曲線(砂の特性曲線までの強度差とシルトの特性曲線までの強度差との比)に従い補助曲線を延ばし、余角90°の縦線と交差した点が法線方向の反射強度データSS90となる。 When this is conceptually shown in FIG. 9, when the residual angle and reflection intensity data SS shown in the black circles in the figure are obtained, an intermediate value estimated from the characteristic curve of sand sandwiching this and the characteristic curve of silt The auxiliary curve is extended according to the curve (the ratio of the intensity difference up to the sand characteristic curve and the intensity difference up to the silt characteristic curve), and the point intersecting the vertical line with 90 ° of the additional angle is the reflection intensity data SS90 in the normal direction. Become.
なお、この際、図10(a)に示すように、算出された反射強度データSSが2つの特性曲線間に存在すれば、これら曲線までの比を維持しながら形成される補助曲線に従い法線方向の反射強度データSS90が算出される。すなわち、算出された余角における砂の特性曲線までの強度差とシルトの特性曲線までの強度差との比δ1:δ2と、余角90°(法線方向)における砂の特性曲線までの強度差とシルトの特性曲線までの強度差との比Δ1:Δ2とが同じになる余角90°時点の反射強度データが法線方向の反射強度データSS90となる。一方、図10(b)に示すように、岩の特性曲線よりも高い反射強度データの場合は岩の特性曲線に沿って、粘土の特性曲線よりも低い反射強度データの場合は粘土の特性曲線に沿って法線方向の反射強度データSS90が算出される。すなわち、算出された余角における岩の特性曲線との強度差δ3と、余角90°(法線方向)の強度差Δ3とが同じになる余角90°時点の反射強度データが法線方向の反射強度データSS90となる。
At this time, as shown in FIG. 10A, if the calculated reflection intensity data SS exists between the two characteristic curves, the normal line follows the auxiliary curve formed while maintaining the ratio up to these curves. Direction reflection intensity data SS90 is calculated. That is, the ratio δ1: δ2 between the difference in strength to the sand characteristic curve and the difference in strength to the silt characteristic curve at the calculated residual angle, and the strength to the sand characteristic curve at the
図10は反射強度データSS90の算出概念を示す反射強度データの余角特性図である。
なお、ここで説明した反射強度データの余角特性は、予め既知の文献から設定したり、後述する方法で、以前に底質検出した結果に従い設定しても良い。特に後者の場合は、その領域毎の詳細な底質の反射特性が求められているので、より高精度に底質を推定することができる。
FIG. 10 is a characteristic diagram of the reflection angle data showing the calculation concept of the reflection intensity data SS90.
It should be noted that the reflex angle characteristics of the reflection intensity data described here may be set in advance from known documents, or may be set in accordance with the result of previous sediment detection by a method described later. In particular, in the latter case, since the detailed reflection characteristics of the bottom sediment for each region are required, the bottom sediment can be estimated with higher accuracy.
このように、法線方向の反射強度データSS90が各反射強度データすなわち統合データ毎に算出されると、単位メッシュ領域毎で該当する法線方向の反射強度データSS90の平均値と標準偏差とが算出されて、メッシュデータに追加される。この際、平均値および標準偏差のデータは既にHDD30に記憶されているメッシュデータに追記して記憶しても、新たに別ファイルを形成して記憶しても良い。
Thus, when the reflection intensity data SS90 in the normal direction is calculated for each reflection intensity data, that is, integrated data, the average value and the standard deviation of the reflection intensity data SS90 in the normal direction corresponding to each unit mesh area are obtained. It is calculated and added to the mesh data. At this time, the average value and standard deviation data may be added to the mesh data already stored in the
(6)底質データ生成方法
図11は法線方向の反射強度データSS90に対応した各底質の閾値および、底質データ設定値を表した底質変換表である。
法線方向の反射強度データSS90が底質により変化することを利用し、図11に示すような底質変換表32を予め設定してHDD30に記憶しておく。そして、単位メッシュ領域毎に法線方向の反射強度データSS90の平均値が算出されると、底質変換表32に従い、各法線方向反射強度データSS90に対応する底質を推定して、底質毎に予め設定された底質データ(数値)を算出する。なお、この表は、予め既知の文献から設定したり、後述する方法で、以前に底質検出した結果に従い設定しても良い。特に後者の場合は、その領域毎の詳細な底質の反射特性が求められているので、より高精度に底質を推定することができる。
(6) Bottom sediment data generation method FIG. 11 is a bottom sediment conversion table representing threshold values of bottom sediments and bottom sediment data set values corresponding to the reflection intensity data SS90 in the normal direction.
Using the fact that the reflection intensity data SS90 in the normal direction changes depending on the bottom sediment, a bottom sediment conversion table 32 as shown in FIG. 11 is preset and stored in the
なお、前述の単位メッシュ領域毎の法線方向の反射強度データSS90の標準偏差が所定値よりも大きい場合、予め設定された底質(岩、礫、砂、シルト、粘土)から底質を推定せず、該当する単位メッシュ領域に海草等の遊動物が存在すると判断し、底質データを出力しないか、他の底質データとは異なる特定値を出力する。 In addition, when the standard deviation of the reflection intensity data SS90 in the normal direction for each unit mesh area is larger than a predetermined value, the bottom sediment is estimated from preset bottom sediment (rock, gravel, sand, silt, clay). Without determining that a migratory animal such as seaweed exists in the corresponding unit mesh area, the bottom sediment data is not output or a specific value different from other bottom sediment data is output.
以上のような構成および制御を行うことにより、マルチビーム方式のソナーを用いて、海底面法線方向の反射強度データを正確に算出することができるとともに、これを用いて海底面の底質を正確に検出することができる。 By performing the configuration and control as described above, the multi-beam sonar can be used to accurately calculate the reflection intensity data in the direction of the sea bottom normal, and this can be used to determine the bottom sediment of the sea bottom. It can be detected accurately.
(7)底質変換表の形成方法
前述の説明では、海底面法線方向の反射強度データを算出して底質を推定する方法について示したが、次に、探知領域内の各単位メッシュ領域の底質推定結果から、この探知領域に応じた反射強度データの余角特性を算出する方法を示す。
(7) Formation method of bottom sediment conversion table In the above description, the method of estimating the bottom sediment by calculating the reflection intensity data in the direction of the sea bottom normal was shown. Next, each unit mesh area in the detection area A method for calculating the residual angle characteristic of the reflection intensity data corresponding to the detection area from the bottom sediment estimation result will be shown.
まず、前述の(6)で示すように底質データが底質の種類により同じ値で設定されることを利用し、本発明の「反射強度余角特性推定手段」に相当する制御演算部20は、記録した探知領域の複数の底質データに基づいて明らかに同じ底質である単位メッシュ領域を所定範囲(例えば、50メッシュ×50メッシュ等)で選択して、各単位メッシュ領域に対応するメッシュデータ300を読み出す。このメッシュデータ300には、選択された各単位メッシュ領域に対応する反射強度データSSと余角とが関連づけされた状態で記憶されているので、制御演算部20は、各単位メッシュ領域の反射強度データSSと余角とを用いて、図12に示すようにマッピング処理を行って散布図を形成する。この際、メッシュデータには複数の反射強度データSSが含まれているので、全ての反射強度データSSを利用する。例えば、前述のようにメッシュデータに10個の反射強度データSSが含まれていれば、これらの反射強度データSSの全てを利用する。この場合、50×50×10=25000個の反射強度データSSを利用することができる。
図12は反射強度データSSと余角との関係を示す散布図であり、散布図中の黒丸がサンプル点を示し、実線が推定された関係式(関数)を示す。
そして、これら反射強度データSSと余角とを用いて、反射強度データSSと余角との関係式を推定演算する。この推定演算方法としては、例えば、最小二乗法等を用いる。
このような散布図の形成と関係式の推定演算とを、分類した底質毎に行ってHDD30等に記録する。
First, using the fact that bottom sediment data is set to the same value depending on the type of bottom sediment as shown in (6) above, the
FIG. 12 is a scatter diagram showing the relationship between the reflection intensity data SS and the coherence angle. The black circles in the scatter diagram indicate the sample points, and the relational expression (function) in which the solid line is estimated.
Then, using the reflection intensity data SS and the residual angle, a relational expression between the reflection intensity data SS and the additional angle is estimated and calculated. As this estimation calculation method, for example, a least square method or the like is used.
The formation of such a scatter diagram and the calculation of the relational expression are performed for each classified bottom sediment and recorded in the
このような処理(作業)を行うことにより、次回以降に同じような探知領域の底質探知を行う場合に、自身が探知した結果に基づく底質推定を行うことができ、より高精度に底質探知を行うことができる。また、この散布図と関係式に関するデータを光磁気記録媒体(MO等)や光ディスク(CD,DVD等)に記録したり、ネットワークにより共有することで、他船が同様の探知領域の底質を探知したりする場合にも、高精度に底質探知を行うことができる。 By performing this kind of processing (work), the bottom sediment can be estimated based on the results detected by itself when performing similar bottom sediment detection in the next and subsequent times. Quality detection can be performed. In addition, the data related to the scatter diagram and the relational expression can be recorded on a magneto-optical recording medium (MO, etc.), an optical disk (CD, DVD, etc.), or shared by a network, so that other ships can obtain the same bottom quality of the detection area Also when detecting, sediment detection can be performed with high accuracy.
なお、前述の説明では、適当な面積のメッシュ領域を設定して、この領域以内含まれる複数の統合データ(反射強度データや水深データ等)を1データグループとして、各演算に利用したが、統合データ毎にメッシュ領域を設定して、各演算を行っても良い。すなわち、探知領域に対するメッシュ領域の区切りをより細分化してもよい。これにより、より精密な底質推定を行うことができる。 In the above description, a mesh area having an appropriate area is set, and a plurality of integrated data (reflection intensity data, water depth data, etc.) included in this area are used as one data group for each calculation. Each calculation may be performed by setting a mesh region for each data. That is, the mesh area delimiter with respect to the detection area may be further subdivided. Thereby, more accurate bottom sediment estimation can be performed.
また、前述の説明では、反射強度データと余角との関係を余角の絶対値に対して算出した。すなわち、右舷方向の特性と左舷方向の特性とが同じである場合について算出した。しかし、右舷方向における余角と反射強度データとの関係と、左舷方向における余角と反射強度データとの関係とを別々に演算することで、図13に示すような右舷、左舷で独立な反射強度データの余角特性を得ることができる。
図13は、右舷方向における余角と反射強度データとの関係、および、左舷方向における余角と反射強度データとの関係を同時に示した図である。
図13に示すような反射強度データの余角特性を用いることにより、右舷方向と左舷方向とでそれぞれ別に海底面法線方向の反射強度データを算出したり、底質を推定することができる。この結果、より一層高精度の底質推定を行うことができる。
In the above description, the relationship between the reflection intensity data and the additional angle is calculated with respect to the absolute value of the additional angle. That is, the case where the starboard direction characteristic and the portside direction characteristic are the same was calculated. However, by separately calculating the relationship between the residual angle in the starboard direction and the reflection intensity data and the relationship between the residual angle in the port direction and the reflection intensity data, independent reflection on the starboard and port as shown in FIG. It is possible to obtain the angle characteristic of intensity data.
FIG. 13 is a diagram simultaneously showing the relationship between the back angle in the starboard direction and the reflection intensity data, and the relationship between the back angle in the starboard direction and the reflection intensity data.
By using the residual angle characteristic of the reflection intensity data as shown in FIG. 13, the reflection intensity data in the sea bottom normal direction can be calculated separately for the starboard direction and the port direction, and the sediment can be estimated. As a result, the bottom sediment can be estimated with higher accuracy.
100−探知データ生成部、 1−制御部、 2−データ演算部、 14−統合データ生成部、 15−水深データ生成部、 16−反射強度データ生成部、 3−自船情報検出部、 4−画像データ生成部、 5−画像データ表示部、 101−送受信機、 11−送信部、 12−受信部、 102−送受波器、 131a〜131n−送波トランスデューサ、 132a〜132n−受波トランスデューサ、 200−底質データ生成装置、 20−制御演算部、 21−メッシュデータ生成部、 22−海底面法線ベクトル演算部、 23−反射強度データ補正部、 24−反射強度データ変換部、 25−メッシュデータ再形成部、 26−底質データ生成部、 27−底質画像データ生成部、 30−HDD、300−メッシュデータ、 31−法線成分変換表、 32−底質変換表、 33−底質画像データ、 40−操作部、 50−表示部、 400−測位装置、 401−動揺センサ、402−船首方位センサ 100-detection data generation unit, 1-control unit, 2-data operation unit, 14-integrated data generation unit, 15-water depth data generation unit, 16-reflection intensity data generation unit, 3-own ship information detection unit, 4- 200, image data generation unit, 5-image data display unit, 101-transceiver, 11-transmission unit, 12-reception unit, 102-transceiver, 131a-131n-transmission transducer, 132a-132n-reception transducer, 200 -Bottom sediment data generation device, 20-Control calculation unit, 21-Mesh data generation unit, 22-Sea bottom normal vector calculation unit, 23-Reflection intensity data correction unit, 24-Reflection intensity data conversion unit, 25-Mesh data Re-formation unit, 26-sediment data generation unit, 27-sediment image data generation unit, 30-HDD, 300-mesh data, 31- Linear component conversion table, 32 sediment conversion table, 33-sediment image data, 40-operating unit, 50- display unit, 400-positioning device, 401- upset sensor, 402- heading sensor
Claims (7)
海底方向に所定角の範囲で送信された超音波信号に対して複数の受波ビームを形成し、該受波ビームにより得られる受信信号から前記探知区域の水深データを検出する水深検出手段と、
前記受信信号から前記探知区域の受波ビーム方向の反射強度データを検出する反射強度検出手段と、
水深データおよび反射強度データの検出時の自船位置、船首方向、および自船動揺量を検出する自船情報検出手段と、
該自船情報検出手段で得られる各情報と、前記水深検出手段で得られる水深データと、を用いて、前記反射強度データの海底面法線方向換算値を算出する法線方向換算値算出手段と、
予め記憶されている反射強度データの海底面法線方向換算値と海底面の底質との関係を用いて前記反射強度データの海底面法線方向成分から底質を推定する底質推定手段と、を備えたことを特徴とする底質探知装置。 In the bottom sediment detection device for detecting the water depth and bottom sediment for each detection area constituting the detection region,
A water depth detecting means for forming a plurality of received beams with respect to an ultrasonic signal transmitted in a range of a predetermined angle in the seabed direction, and detecting water depth data of the detection area from a received signal obtained by the received beams;
Reflection intensity detection means for detecting reflection intensity data in the direction of the received beam in the detection area from the received signal;
Own ship information detecting means for detecting own ship position, bow direction, and own ship sway amount when detecting water depth data and reflection intensity data;
Normal direction converted value calculating means for calculating the sea bottom normal direction converted value of the reflection intensity data using each information obtained by the own ship information detecting means and the water depth data obtained by the water depth detecting means. When,
A bottom sediment estimation means for estimating bottom sediment from a seafloor normal direction component of the reflection intensity data using a relation between a seabed normal direction converted value of the reflection intensity data stored in advance and a bottom sediment of the bottom; A bottom sediment detection device characterized by comprising:
前記自船情報検出手段で得られる各情報と、該当する反射強度データに対応する探知区域の水深データおよび該当する反射強度データに対応する探知区域に隣接する探知区域の水深データと、を用いて前記該当する反射強度データが得られる海底面上の探知区域の法線方向を検出する海底面法線方向検出手段と、
該海底面法線方向と前記受波ビーム方向とから前記海底面上の探知区域への入射角を算出する入射角算出手段と、
該入射角から前記海底面上の探知区域での超音波信号の反射面積を算出し、該反射面積を用いて前記反射強度データを補正する反射強度データ補正手段と、
を備えたことを特徴とする請求項1に記載の底質探知装置。 The normal direction converted value calculating means is:
Using each information obtained by the own ship information detection means, the water depth data of the detection area corresponding to the corresponding reflection intensity data, and the water depth data of the detection area adjacent to the detection area corresponding to the corresponding reflection intensity data, Sea bottom normal direction detecting means for detecting a normal direction of a detection area on the sea bottom where the corresponding reflection intensity data is obtained;
An incident angle calculating means for calculating an incident angle to the detection area on the sea bottom from the sea bottom normal direction and the received beam direction;
A reflection intensity data correction means for calculating a reflection area of the ultrasonic signal in the detection area on the sea bottom from the incident angle, and correcting the reflection intensity data using the reflection area;
The bottom sediment detection device according to claim 1, further comprising:
前記反射強度データ補正手段で補正された後の反射強度データと、この反射強度データの海底面法線方向換算値との関係を記憶する記憶手段を備えた、請求項2または3に記載の底質探知装置。 The normal direction converted value calculating means is:
The bottom according to claim 2 or 3, comprising storage means for storing the relationship between the reflection intensity data corrected by the reflection intensity data correction means and the sea bottom normal direction converted value of the reflection intensity data. Quality detection device.
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