专利名称：水中探测装置、鱼群探测机、水中探测方法以及程序的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种基于向水中发送的超声波所反射的反射波来进行水中探测的水中探测装置、鱼群探测机、水中探测方法以及程序。
背景技术：
以往，在用于船舶的鱼群探测机中，辨别海底的沉积物(岩、石、沙等)并进行显示的探测机广为人知(例如，对照专利文献I)。沉积物的辨别是通过解析超声波的发送脉冲的海底回波来进行的。例如，在海底为如岩或石等坚硬且起伏大的位置，海底回波的时间宽度较长，而在海底为如沙或泥等柔软且平坦的位置，海底回波的时间宽度则较短。在画面上，对与各沉积物的相似度或各沉积物中最相似的沉积物进行显示。现有技术文献
专利文献专利文献I日本国专利4348415号公报
发明内容
发明所要解决的课题但是，鱼群探测机的目的主要是高精度地探测鱼群，因此，通过缩短所发送的超声波的发送脉冲宽度，来使距离分辨率提高，但若缩短了发送脉冲宽度，则能量降低，从而探测距离降低，因此较深的深度下的沉积物的辨别变得困难。所以，本发明的目的在于提供一种能够通过一个装置来高精度地进行鱼或水深的检测以及海底沉积物的辨别这两方面的水中探测装置、鱼群探测机、水中探测方法以及程序。用于解决课题的方法本发明的水中探测装置具有第I生成部、第2生成部、输出部、水中检测部和沉积物辨别部。第I生成部生成第I发送信号。第2生成部生成脉冲宽度比第I发送信号长的第2发送信号。输出部向探头输出由第I以及第2生成部所生成的发送信号，该探头向水中发送基于发送信号的超声波，并接收在水中所反射的反射波且将该反射波变换成接收信号。水中检测部基于与从探头输出的第I发送信号相关的第I接收信号来检测鱼或水深。沉积物辨别部基于与从探头输出的第2发送信号相关的第2接收信号来辨别海底的沉积物。在该构成中，根据脉冲宽度各不相同的鱼或水深检测用以及海底沉积物辨别用的超声波，对鱼或水深以及海底的沉积物进行检测和辨别。为了检测鱼体长度和鱼种或水深，需要提高鱼或水深检测用的超声波的距离分辨率，即，需要缩短脉冲宽度。相反，需要增强沉积物辨别用的超声波的能量(信号强度)，来提高探测距离或SN比，即，加长脉冲宽度。因此，通过使沉积物辨别用超声波的脉冲宽度长于鱼或水深检测用超声波的脉冲宽度，能够通过一个装置来进行鱼或水深检测和沉积物辨别这两种处理。
在本发明的水中探测装置中，具有第I生成部，第2生成部、输出部、水中检测部和设定部。第I生成部生成频率变化的第I发送信号。第2生成部生成固定频率的第2发送信号。输出部向探头输出所述第I以及第2生成部所生成的发送信号，该探头向水中发送基于发送信号的超声波，并接收在水中所反射的反射波且将该反射波变换成接收信号。水中检测部基于与从所述探头输出的所述第I发送信号相关的第I接收信号来检测鱼或水深。沉积物辨别部基于与从所述探头输出的所述第2发送信号相关的第2接收信号来辨别海底的沉积物。设定部使所述第I生成部进行调频来生成第I发送信号，并且使所述第2生成部生成脉冲宽度长于对第I接收信号进行脉冲压缩后的信号的第2发送信号。水中检测部基于经脉冲压缩后的第I接收信号来检测鱼或水深。在该构成中，使脉冲宽度长于经脉冲压缩后的第I接收信号地来生成第2发送信号，并基于经脉冲压缩后的接收信号进行鱼或水深检测。鱼或水深检测用的超声波要求长探测距离、高精度的接收信号的SN比、以及高距离分辨率(鱼群的识别能力)。但是，若为 了提高距离分辨率而缩短超声波的脉冲宽度，则超声波的能量变小，其结果，探测距离以及SN比降低。相反，若加长脉冲宽度，则不能检测比脉冲宽度小的鱼，距离分辨率降低。另一方面，在海底沉积物的辨别中，不要求距离分辨率，且海底为反射波发生散射(二次反射或混响)的巨大(广域)的反射体，因此，若对发送信号进行调频而使其形成宽带，包含于海底的反射波中的噪声将增大。所以，仅对鱼群检测用的发送信号进行调频，并对接收信号进行脉冲压缩，由此，并不会使能量降低，却能够获得与收发缩短了脉冲宽度的超声波的情况相同的效果。其结果，能够进行高精度的鱼或水深检测以及海底的沉积物辨别。本发明的水中探测装置具有第I滤波器，其进行第I接收信号的滤波处理，和第2滤波器，其进行第2接收信号的滤波处理。第I滤波器具有比第2滤波器宽的带宽。在该构成中，若加长发送信号的脉冲宽度，则能够使滤波器的带宽变窄，所以，能够使第2滤波器的带宽比第I滤波器窄，其结果，能够相对于第I接收信号进一步提高第2接收信号的SN比。在本发明的水中探测装置中，输出部交替地输出第I以及第2生成部所生成的第I以及第2发送信号。在该构成中，通过交替地发送鱼或水深检测用的超声波和海底的沉积物辨别用的超声波，能够通过一个探头来进行鱼或水深检测和沉积物辨别这两种处理。发明效果根据本发明，能够通过一个装置高精度地进行鱼或水深检测以及海底的沉积物辨别这两方面。
图I是示意地表示实施方式的鱼群探测机的构成的框图。图2是示意地表示发送部的构成的框图。图3是示意地表示信号处理部的构成的框图。图4(A)和图4(B)是表示发送了脉冲宽度Tl和脉冲宽度T2的超声波的情况下的回波信号的对比的曲线图。图5是表示在发送了脉冲宽度Tl的超声波和脉冲宽度T2的超声波的情况下所获得的SN比的实验结果的图。图6是表示鱼群探测机中所执行的处理的顺序的流程图。图中I鱼群探测机10控制部11存储部12操作部13显示部(显示器)
14发送部15收发切换部16 探头17接收部18 A/D 转换器19信号处理部141鱼群探测用信号生成部(第I生成部)142沉积物辨别用信号生成部143发送定时控制部191沉积物辨别处理部192脉冲压缩部193鱼群检测部194显示处理部
具体实施例方式以下，对照附图，对本发明的水中探测装置、鱼群探测机、水中探测方法以及程序的优选实施方式加以说明。以下，对鱼群探测机加以说明。鱼群探测机由振子向海底发送超声波脉冲(以下，仅称为超声波)，并由振子接收超声波经鱼群或海底反射而产生的反射波。并且，鱼群探测机基于对所接收的反射波施加运算处理的结果来将鱼群或海底的图像(回波数据)显示于显示部。图I是示意地表示本实施方式的鱼群探测机的构成的框图。鱼群探测机I具有控制部(设定部)10、存储部11、操作部12、显示部13、发送部14、收发切换部15、探头16、接收部17、A/D转换器18以及信号处理部19。存储部11为例如ROM (Read Only Memory,只读存储器)等非挥发性存储器，对所需的程序IlA以及各种数据进行存储。操作部12从操作者处接受海底探测距离(海底深度)的设定等的指示输入等各种操作。显示部13进行以画面上的纵轴为深度方向并以横轴为时间方向的回波数据的显示。另外，鱼群探测机I也可不具有显示部13，例如也可使用已经设置于船舶的显示装置。控制部10具有例如微型计算机等，其读取存储于存储部11的程序11A，并根据来自操作部12的各种操作，整体地控制鱼群探测机I。例如，控制部10对发送部14进行后述的发送信号的发送周期的设定以及进行海底探测距离等的设定的执行指示、A/D转换器18的采样周期的设定的执行指示、向信号处理部19发出各种处理的执行指示。发送部14介由内置有陷波电路的收发切换部15，以由控制部10所指示的发送周期交替地向探头16输出所生成的两个发送信号。后面将进一步详细记述发送部14的构成。探头16被配置于船底等，其具有多个超声波振子。探头16基于来自发送部14的发送信号，向海中发送超声波。此外，探头16通过超声波振子接收由所发送的超声波经鱼群等的物标或海底反射而产生的反射波，生成与反射波的强度相应的回波信号，并介由收发切换部15向接收部17输出。探头16也可以并非由鱼群探测机I所装备，而是使用已经搭载于船舶的探头。以下，将经鱼所反射而成的回波信号称为鱼回波(第I接收信号)，将经海底所反射而成的回波信号称为海底回波(第2接收信号)。接收部17放大来自探头16的回波信号并向A/D转换器18输出。A/D转换器18以规定的定时对回波信号进行采样，转换成数字信号，并向信号处理部19输出。采样的定 时基于深度方向的距离分辨率由控制部10设定。信号处理部19将经数字化的回波信号依次记录于存储器(未作图示)。信号处理部19进行从所记录的回波信号中除去频带以外的噪声成分的滤波处理、并进行鱼群检测处理、海底检测处理以及沉积物辨别处理。表示信号处理部19所进行的鱼群检测处理、海底检测处理以及沉积物辨别的结果等的信息被画面显示于显示部13。接下来，详细记述发送部14。图2是示意地表示发送部14的构成的框图。发送部14具有鱼群探测用信号生成部(第I生成部)141、沉积物辨别用信号生成部(第2生成部)142以及发送定时控制部(输出部)143。鱼群探测用信号生成部141根据来自控制部10的指示而生成作为鱼群探测用的发送信号的FM (Frequency Modulation,调频)线性调频脉冲(chirp)信号。FM线性调频脉冲信号(第I发送信号)为使适合于鱼群探测的信号频率随时间来扫掠(Sw^p)的信号，且为振幅一定而频率在与波形长度相当的时间期间从低频到高频变化的信号。鱼群探测用的超声波(以下，称为鱼用超声波)要求高距离分辨率(鱼群的识别能力)。在超声波的脉冲宽度长的情况下，不能检测比脉冲宽度小的鱼等，距离分辨率将降低。但是，若为了提高距离分辨率而缩短超声波的脉冲宽度，则超声波的能量变小，SN比降低，不能够高精度地对鱼进行探测。因此，发送一定时间的基于鱼群探测用信号生成部141所生成的FM线性调频脉冲信号的鱼用超声波，对经目标物(鱼)被反射而成的鱼回波施加脉冲压缩，由此，能够获得与收发脉冲宽度短、高能量的超声波同样的效果，所以，能够收发适合于鱼群探测的超声波。另外，鱼用超声波也可作为用于检测海中的深度的超声波使用。沉积物辨别用信号生成部142根据来自控制部10的指示而生成作为海底的沉积物辨别用的发送信号的固定频率信号(第2发送信号)。沉积物辨别用信号生成部142生成至少比脉冲压缩后的鱼回波的脉冲宽度长的、根据探测深度所决定的脉冲宽度的发送信号。沉积物的辨别对海底回波的特性进行解析，例如在海底回波的能量高的情况下，辨别海底的沉积物坚硬为基岩或暗礁等硬质的海底。在海底回波的能量低的情况下，辨别海底的沉积物柔软为沙地等的海底。因此，沉积物辨别用的超声波(以下，称为海底用超声波)与鱼用超声波不同，其不要求距离分辨率，而另一方面，则需要高能量以及高SN比。因此，沉积物辨别用信号生成部142生成至少比脉冲压缩后的鱼回波的脉冲宽度长的脉冲宽度的发送信号。若该发送信号被输出到探头16，则探头16发送具有生成的发送信号的脉冲宽度的超声波。另外，在鱼群探测用信号生成部141生成固定频率信号而不对其鱼回波进行脉冲压缩地进行鱼群探测的情况下，沉积物辨别用信号生成部142生成脉冲宽度比鱼群探测用信号生成部141所生成的发送信号长的发送信号。由此，鱼群探测机I变为发送脉冲宽度比鱼用超声波长的海底用超声波。发送定时控制部143介由收发切换部15，以规定的定时向探头16交替地输出鱼群探测用信号生成部141以及沉积物辨别用信号生成部142所生成的发送信号。即，鱼群探测机I从探头16交替地发送鱼用超声波和海底用超声波。更具体地讲，鱼群探测机I在发送鱼用超声波并接收到其反射波之后，发送海底用超声波并接收其反射波。以下，对信号处理部19的处理进行详细说明。图3是示意地表示信号处理部19的构成的框图。信号处理部19具有沉积物辨别处理部(沉积物辨别部)191、脉冲压缩部192、鱼群检测部(水中检测部)193以及显示处理部194。从A/D转换器18向沉积物辨别处理部191输入回波信号。沉积物辨别处理部191将I次测定的量(I个声脉冲的量)的回波信号记录于存储器(未作图示)，每当对I个声脉冲的量的回波信号进行记录时，进行如下所示的处理。沉积物辨别处理部191基于海底回波进行辨别海底沉积物的处理。沉积物的辨别手法并不被特别限定，例如，通过海底回波与参考数据的匹配度(相似度)来进行辨别。即，沉积物辨别处理部191根据所输入的回波信号求出海底深度，根据该海底深度将规定时间范围内的(具有规定阈值以上的能量的)回波信号作为海底回波，并与参考数据进行模式匹配，由此算出相似度。作为匹配的手法，可以使用模糊推论或神经网络等。参考数据要预先准备泥，沙，石，岩等的多个种类的数据。因此，需要海底回波具有高能量以及高SN比。另外，海底深度的检测手法可以使用以下各种手法以回波信号超过规定能量以上的定时为基准的手法；以微分值变为最高的定时为基准的手法；或者，以与所发送的超声波的脉冲宽度相等的波形作为参考信号来求出与回波信号的相关性，并以相关值变为最闻的定时为基准的手法等。脉冲压缩部192对鱼回波进行脉冲压缩。具体地讲，脉冲压缩部192通过匹配滤波器进行鱼回波与FM线性调频脉冲信号的相关处理，仅提取与FM线性调频脉冲信号相同的频带而去掉其他频带，由此，对鱼回波进行脉冲压缩。由此，鱼回波的分辨率提高，能够通过后面的鱼群检测部193高精度地对鱼进行检测。鱼群检测部193通过已知的方法，根据脉冲压缩后的鱼回波来进行鱼群检测。鱼群的检测包括鱼体长度或鱼种的辨别、距离鱼群的水深等的检测。鱼回波的分辨率通过脉 冲压缩部192的脉冲压缩而被提高，因此，鱼群检测部193能够进行高精度的鱼群检测。鱼群检测部193将处理结果向显示处理部194输出。接下来，对发送不同的脉冲宽度的超声波后所获得的回波信号加以说明。图4(A)和图4(B)是表示发送了脉冲宽度Tl和脉冲宽度T2的超声波的情况下的回波信号的对比的曲线图。另外，在图4(A)和图4(B)中，脉冲宽度11<脉冲宽度T2。图4(A)表示发送了脉冲宽度Tl的超声波的情况，图4(B)表示发送了脉冲宽度T2的超声波的情况，上图表示发送脉冲，下图表示接收脉冲。另外，图4(A)和图(4B)是为了方便说明而易于理解地加以表示的曲线图，并不表示实际的回波信号。此外，图4(A)和图4(B)表示未对回波信号进行脉冲压缩的情况。在发送了短脉冲宽度的超声波的情况下，距离分辨率提高，各个鱼的识别精度(鱼体长度或鱼种的识别精度)提高。因此，如图4(A)所示可知在发送了脉冲宽度Tl的超声波的情况下，能够比脉冲宽度T2的超声波的情况取得更高精度的鱼回波。在鱼群探测中，需要高距离分辨率(图4(A)和图4(B)的横轴)而不需要能量(图4(A)和图4(B)的纵轴)，因此，短脉冲宽度的超声波合适。另一方面，在发送了长脉冲宽度的超声波的情况下，反射波的能量、探测距离或SN比提高。因此，如图4(B)所示可知在发送了脉冲宽度T2的超声波的情况下，与脉冲宽度Tl的超声波的情况相比，回波信号的能量高，且噪声电平降低(SN比提高)。在海底的沉积物辨别中，不需要分辨率而需要能量，因此，长脉冲宽度的超声波合适。此外，可知无论是脉冲宽度Tl和脉冲宽度T2的哪种情况，从海底回波所获得的海底的特征(形状)都不会受损。
接下来，对通过发送长脉冲宽度的超声波而使SN比提高的情况加以说明。图5是表示在发送了脉冲宽度Tl的超声波和脉冲宽度T2的超声波的情况下所获得的SN比的实验结果的图。例如，其表示在设探测距离为100[m]的情况下，发送1.0[ms]的脉冲宽度Tl的超声波时，发送3. 0[ms]的脉冲宽度T2的超声波，由此，SN比提高约4. 8[dB]。此外，接收带宽与脉冲宽度的倒数成比例，因此对于1.0[ms]的脉冲宽度Tl的超声波，将接收滤波器(第I滤波器)的带宽设为I. 5 [kHz]时，对于3. 0 [ms]的脉冲宽度T2的超声波，接收滤波器(第2滤波器)的带宽成为0.5 [kHz]。其表示若滤波器的频带变窄，则噪声成分减少，因此，SN比约提高4.8[dB]。结果，其表示SN比总共约提高9. 5[dB]的SN比。这样，通过加长脉冲宽度T2，与脉冲宽度Tl的情况相比能够使SN比提高。以下，对鱼群探测机I的动作加以说明。图6是表示鱼群探测机I所执行的处理的程序的流程图。图6所示的处理通过控制部10读取存储于存储部11的程序IlA来执行。控制部10从探头16发送鱼用超声波并接收该反射波(SI)。详细而言，控制部10在发送部14生成FM线性调频脉冲信号并向探头16输出，由此来发送鱼用超声波。此外，控制部10通过信号处理部19对由接收了反射波的探头16输出的鱼回波进行脉冲压缩。接着，控制部10基于鱼回波进行鱼群探测(S2)。接着，控制部10从探头16发送海底用超声波并接收其反射波(S3)。此时，控制部10使所发送的海底用超声波的脉冲宽度长于脉冲压缩后的鱼回波的脉冲宽度。控制部10基于来自接收了反射波的探头16的海底回波，通过信号处理部19进行海底的沉积物辨别
(S4)。然后，控制部10结束本处理。如以上说明的，在本实施方式中，鱼群探测机I分别接收不同脉冲宽度的超声波，并进行鱼群探测和海底的沉积物辨别。鱼群探测和海底的沉积物辨别所要求的特性不同，所以能够通过使所接收的反射波的脉冲宽度不同，而由一个装置来进行鱼群探测和海底的沉积物辨别。另外，鱼群探测机I的具体的构成等可以适当地进行设计变更，所述实施方式所记载的作用以及效果只不过列举了由本发明所产生的最优选的作用以及效果，由本发明所产生的作用以及效果并不限于所述的实施方式中所记载的内容。发送部14可以生成多个频率的发送信号，其可以构成为发送两种以上的不同频率的发送信号。例如，鱼群探测机I交替地发送作为鱼用超声波的40kHz 80kHz的FM线性调频脉冲信号和175kHz 225kHz的FM线性调频脉冲信号，或者也可以交替地发送低频 60kHz的固定频率信号和200kHz的固定频率信号。此外，也可以使鱼群探测机I交替地发送作为海底用超声波的60kHz的固定频率信号和200kHz的固定频率信号。
权利要求
1.一种水中探测装置，其特征在于，具有 第I生成部，该第I生成部生成第I发送信号； 第2生成部，该第2生成部生成脉冲宽度比所述第I发送信号长的第2发送信号；输出部，该输出部向探头输出所述第I以及第2生成部所生成的发送信号，该探头向水中发送基于所述发送信号的超声波，并接收在水中所反射的反射波且将该反射波变换成接收信号； 水中检测部，该水中检测部基于与从所述探头输出的所述第I发送信号相关的第I接收信号来检测鱼或水深； 沉积物辨别部，该沉积物辨别部基于与从所述探头输出的所述第2发送信号相关的第2接收信号辨别海底的沉积物。
2.一种水中探测装置，其特征在于，具有 第I生成部，该第I生成部生成频率变化的第I发送信号； 第2生成部，该第2生成部生成固定频率的第2发送信号； 输出部，该输出部向探头输出所述第I以及第2生成部所生成的发送信号，该探头向水中发送基于发送信号的超声波，并接收在水中所反射的反射波且将该反射波变换成接收信号; 水中检测部，该水中检测部基于与从所述探头输出的所述第I发送信号相关的第I接收信号来检测鱼或水深； 沉积物辨别部，该沉积物辨别部基于与从所述探头输出的所述第2发送信号相关的第2接收信号来辨别海底的沉积物；以及 设定部，该设定部使所述第I生成部进行调频来生成第I发送信号，并且使所述第2生成部生成脉冲宽度长于对第I接收信号进行脉冲压缩后的信号的第2发送信号， 所述水中检测部基于经脉冲压缩后的第I接收信号来检测鱼或水深。
3.根据权利要求I或2中所述的水中探测装置，其特征在于，具有 第I滤波器，其进行第I接收信号的滤波处理；以及 第2滤波器，其进行第2接收信号的滤波处理， 所述第I滤波器具有比所述第2滤波器宽的带宽。
4.根据权利要求I 3中的任一项所述的水中探测装置，其特征在于， 所述输出部交替地输出所述第I以及第2生成部所生成的第I以及第2发送信号。
5.一种鱼群探测机，其特征在于，具有 权利要求I 4中的任一项所述的水中探测装置； 显示器，该显示器对通过该水中探测装置的所述水中检测部所获得的检测结果以及通过沉积物辨别部所获得的辨别结果进行显示。
6.一种基于向水中发送的超声波所反射的反射波进行水中探测的水中探测方法，其特征在于，具有如下步骤 生成第I发送信号； 生成脉冲宽度比所述第I发送信号长的第2发送信号； 向探头输出所生成的发送信号，该探头向水中发送基于发送信号的超声波，并接收在水中所反射的反射波且将该反射波变换成接收信号；基于与从所述探头输出的所述第I发送信号相关的第I接收信号来检测鱼或水深； 基于与从所述探头输出的所述第2发送信号相关的第2接收信号辨别海底的沉积物。
7.一种基于向水中发送的超声波所反射的反射波进行水中探测的、由计算机执行的程序，该程序使计算机作为如下部分发挥作用 第I生成部，该第I生成部生成第I发送信号； 第2生成部，该第2生成部生成脉冲宽度比所述第I发送信号长的第2发送信号；输出部，该输出部向探头输出所述第I以及第2生成部所生成的发送信号，该探头向水中发送基于发送信号的超声波，并接收在水中所反射的反射波且将该反射波变换成接收信号; 水中检测部，该水中检测部基于与从所述探头输出的所述第I发送信号相关的第I接收信号来检测鱼或水深； 沉积物辨别部，该沉积物辨别部基于与从所述探头输出的所述第2发送信号相关的第2接收信号辨别海底的沉积物。
全文摘要
本发明的目的在于提供一种能够通过一个装置来高精度地进行鱼或水深的检测以及沉积物的辨别这两方面的水中探测装置、鱼群探测机、水中探测方法以及程序。鱼群探测机(1)通过发送部(14)生成鱼群探测用的发送信号和海底的沉积物辨别用的发送信号。将所生成的发送信号向探头(16)输出，发送鱼用超声波和海底用超声波，并接收其反射波。此时，鱼群探测机(1)使与所接收的反射波相关的海底回波的脉冲宽度长于鱼回波的脉冲宽度，并根据各回波在信号处理部(19)进行鱼群探测以及海底的沉积物辨别。
文档编号G01S15/04GK102736081SQ20121012410
公开日2012年10月17日 申请日期2012年4月13日 优先权日2011年4月14日
发明者博拉略·尼古拉斯, 山口武治 申请人:古野电气株式会社