JP4031101B2 - 信号入射角度検出装置、信号の入射角度の検出方法およびスキャニングソナー - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、円筒形のトランスデューサを用いて垂直方向（円筒の軸方位）のスキャンを行う信号入射角度検出装置、信号の入射角度検出方法およびスキャニングソナーに関する。
【０００２】
【従来の技術】
水中にある物標を検出するため、スキャニングソナーがよく用いられている。スキャニングソナーは、周囲の全方位の物標を探査するため、図３に示すようにほぼ円筒形のトランスデューサを備えている。そして、全周に向けて超音波ビームを送出し、縦列のエレメントが受信した反射信号を適当なディレイタイムで合成することによって垂直方向の指向性が所定角度に絞られた垂直ビームを形成し、円筒を周回するように列の選択を切り換えることによってこの垂直ビームを回転させ、全方位の物標を探査するようになっている。また、各エレメントのディレイタイムを切り換えることによって垂直方向の指向性に角度（ティルト角）をつけることができこれにより、全方位の上下一定角度について物標を探査することができる。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、上記構成のスキャニングソナーでは、スキャン方位は水平に限られ、垂直方向に物標を探査しようとする場合には、ティルト角を切り換えながら水平にスキャンを繰り返すしか方法がなかった。
【０００４】
また、トランスデューサを球状に構成し、水平方向のみならず、縦方位にもビームを回転させることのできるものが提案されているが、球状のものは、ビーム形成時のエレメントの組み合わせが複雑になるとともに、最も主要な使用形態である水平方向にスキャンする水平モード時の探査性能が円筒形のトランスデューサに比べて劣るという欠点があった。
【０００５】
この発明は、円筒形に超音波振動子エレメントを配列したトランスデューサを用い、垂直方向のスキャンを行うことができる信号入射角度検出装置、信号の入射角度の検出方法およびスキャニングソナーを提供することを目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
この出願の請求項１の発明は、複数段、複数列の超音波振動子エレメントをほぼ円筒形に配列したトランスデューサと、
探査方位を中心とする一部の列のエレメントが受信した信号を各段別に加算して水平方向に狭い指向性を有する水平ビーム信号を形成する水平ビーム形成手段と、
各段の水平ビーム信号を上または下から順に切り換えて合成することによって垂直スキャン信号を形成する垂直スキャン信号形成手段と、
該垂直スキャン信号に所定の第１のチャープ信号を乗算した信号と、前記垂直スキャン信号よりも長く広範囲にわたって周波数が変化する信号である第２チャープ信号との相関処理を行なうことにより受信信号の入射角度を検出する角度検出手段と、
を備えたことを特徴とする。
【０００７】
この出願の請求項２の発明は、複数段、複数列の超音波振動子エレメントをほぼ円筒形に配列したトランスデューサを用い、
探査方位を中心とする一部の列のエレメントが受信した信号を各段別に加算して水平方向に狭い指向性を有する水平ビーム信号を形成し、
各段の水平ビーム信号を上または下から順に切り換えて合成することによって垂直スキャン信号を形成し、
該垂直スキャン信号に所定の第１のチャープ信号を乗算した信号と、前記垂直スキャン信号よりも長く広範囲にわたって周波数が変化する信号である第２チャープ信号との相関処理を行なうことにより受信信号の入射角度を検出することを特徴とする。
【０００８】
この出願の請求項３の発明は、複数段、複数列の超音波振動子エレメントをほぼ円筒形に配列したトランスデューサと、
探査方位を中心とする一部の列のエレメントが受信した信号を各段別に加算して水平方向に狭い指向性を有する水平ビーム信号を形成する水平ビーム形成手段と、
各段の水平ビーム信号を上または下から順に切り換えて合成することによって垂直スキャン信号を形成する垂直スキャン信号形成手段と、
該垂直スキャン信号に所定の第１のチャープ信号を乗算した信号と、前記垂直スキャン信号よりも長く広範囲にわたって周波数が変化する信号である第２チャープ信号との相関処理を行なうことにより受信信号の入射角度を検出する角度検出手段と、
段方向のエレメントを各列別に加算して垂直方向に狭い指向性を有する垂直ビーム信号を形成する垂直ビーム形成手段と、
各列の垂直ビーム信号を周回の順番に切り換えて合成することによって水平スキャン信号を形成する水平スキャン信号形成手段と、
該水平スキャン信号の受信信号からの周波数偏移に基づいて所定方向からの信号を取り出す信号生成手段と、
を備え、水平モード時に前記垂直ビーム形成手段、水平スキャン信号形成手段および信号生成手段を有効にし、垂直モード時に前記水平ビーム形成手段、垂直スキャン信号形成手段および角度検出手段を有効にすることを特徴とする。
【０００９】
この出願の請求項４の発明は、請求項３の発明において、前記角度検出手段および信号生成手段は、同一の相関器を含むことを特徴とする。
【００１０】
図面を参照してこの発明の原理について説明する。図１（Ａ）において、受信手段Ｒが速度ｖで矢印の方位に直線運動をしており、この受信手段Ｒに対して入射角度αで周波数ｆｓの信号が到来しているとすると、
受信手段Ｒが受信する信号の周波数ｆはドップラ効果により、
ｆ＝（１＋（ｖ／ｃ）ｓｉｎα）ｆｓ
となる（ただし、ｃ：音速）。到来する信号の周波数ｆｓが既知であるとすると、上記式にドップラシフトした周波数ｆを当てはめることにより、信号の入射角度αを割り出すことができる。
【００１１】
同図（Ａ）は物理的に受信手段を移動させた例であるが、複数の受信手段を１列に配置し、これを順次切り換えることによって受信手段を物理的に移動させた場合と同様の効果を得ることができる。同図（Ｂ）にこの例を示す。この図では、受信手段Ｒを等間隔ｄで複数個配列している。そして、これをスイッチング周波数ｓで順番に切り換えてゆくことにより、ｖ＝ｄ・ｓの速度で受信手段を移動させたことと等価になる。
【００１２】
この発明では、上記の原理を用い、ほぼ円筒形状に超音波振動子エレメントが配列されたトランスデューサを用いて垂直方向のスキャンを実現した。すなわち、受信手段Ｒとして、各段に周状に配置されたエレメントのうち探査方位を中心とする数個を受信手段として用いる。この数個のエレメントが受信した信号を合成することによって水平方向に狭く絞られた指向性を有し垂直方向にはブロードな水平ビームを形成することができる。このように水平ビームを形成することにより、水平方向の探査方位以外から入射する信号をキャンセルすることができる。そして、このようにして形成された各段の水平ビーム信号を上段から下段または下段から上段へと切り換えながら合成してゆくことにより垂直スキャン信号を形成することができる。全ての水平ビーム信号は図１に示したものと同様同じ信号を受信した信号であるため、ビームを切り換えてゆくことはそのビームのエレメント分移動したことと同様になり、受信信号の周波数がドップラシフトする。そして、このドップラシフト（周波数偏移）量は、入射角度αの関数になっている。したがって、このドップラシフト量を検出することにより入射角度αを割り出すことができる。なお、この発明において、ほぼ円筒形状は、上底面と下底面の径が異なる円錐台も含む概念である。
【００１３】
そして、ほぼ円筒形のトランスデューサを用いたスキャニングソナーは、通常は垂直方向に狭く絞られた指向性を有するスタティックな垂直ビームを形成し、これを水平方向に旋回させることによって入射する信号をチャープ信号に変換し、どの角度でチャープ信号が現れるかによって信号の入射方位を検出する（特公昭６３−７３５０号参照）。請求項３の発明では、この水平モードと上記垂直モードを切り換えて動作させることができる。これにより、通常は水平モードで動作させ必要に応じて垂直モードで垂直方向のスキャンをすることができる。この場合に、水平モードでチャープ信号の検出に用いているマッチドフィルタなどの相関器を垂直モードにおける周波数偏移量の検出に用いることにより構成部を共通化して構成の簡略化、小型化、低価格化を実現することができる。
【００１４】
【発明の実施の形態】
図面を参照してこの発明のスキャニングソナーについて説明する。図２は同スキャニングソナーのブロック図、図３は同スキャニングソナーに用いられる超音波トランスデューサの構成図である。図３に示すようにトランスデューサ１は１段３０列、１６段の合計４８０個の超音波振動子エレメントＡｉｊ（ｉ＝１〜３０、ｊ＝１〜１６）で構成されている。奇数段のエレメントと偶数段のエレメントは互いにエレメント幅の半分だけずらされて煉瓦をくみ上げたような千鳥状に配列されている。このトランスデューサ１は船舶の底部に円筒の軸が垂直になるように設置される。なお、船舶においては主として水平から海底に向かう角度を探査するため上底面が下底面よりも大きい逆向きの円錐台の形状にされているものもある。このトランスデューサ１には送波部２および受波部３が接続されている。送波部２は、各エレメントに所定位相の超音波信号を供給して超音波ビームを水中に送波する。
【００１５】
受波部３において、トランスデューサ１の各エレメントは、個別にビーム形成部１１に接続されている。ビーム形成部１１は、各エレメントから入力された信号を所定の位相シフトして合成することにより受波ビームを形成する。所定のティルト角で全周を探査する水平モード時には、各列毎に全段のエレメントの信号を合成することによって、垂直方向に鋭く指向性が絞られた垂直ビームを形成する。また、特定の方位の垂直断面を探査する垂直モード時には、その探査方位を中心とする例えば６個（左右３個ずつ）のエレメントが受信した信号を各段毎に合成することによって、水平方向に鋭く指向性が絞られた水平ビームを形成する。
【００１６】
この水平ビーム，垂直ビームを形成するためには、各エレメントの信号を所定の位相関係で合成する必要がある。ビーム形成部１１は、各エレメントの信号がこの位相関係になるように受信信号を増幅するとともに所定のキャリア信号を乗算して位相をシフトする。このキャリア信号はセレクタ１３を介してキャリア信号発生部１２（１２Ｈ，１２Ｖ）から供給される。セレクタ１３は、コントローラ３０によって制御され、水平モード時には水平キャリア信号発生部１２Ｈが発生するキャリア信号をビーム形成部１１に供給し、垂直モード時には垂直キャリア信号発生部１２Ｖが発生するキャリア信号をビーム形成部１１に供給する。
【００１７】
なお、この実施形態のスキャニングソナーは、水平モード時は、例えば０°〜４５°（下向き）のティルト角の範囲で全周を探査することができ、垂直モード時は所定方位の０°〜４５°の範囲を探査することができる。
【００１８】
図４は水平モード時にビーム形成部１１が形成する垂直ビームを説明する図である。同図（Ａ）は水平（ティルト角＝０°）の全方位を探査する場合に形成されるビームを示す図である。トランスデューサ１のエレメントが受信した信号を各列毎に全段同じ位相で合成することにより、垂直方向の指向性が絞られ水平方向にはブロードな垂直ビームが形成される。ビーム形成部１１は、垂直ビームを形成するとき、奇数段ｊ＝１，３，５，７，９，１１，１３，１５のエレメントの信号と偶数段ｊ＝２，４，６，８，１０，１２，１４，１６のエレメントの信号を別に合成することにより、奇数段ＯＤＤの垂直ビーム信号ｉ＝１〜３０および偶数段ＥＶＮの垂直ビーム信号ｉ＝１〜３０を水平モードのマルチプレクサ１４に供給する。
【００１９】
一方、同図（Ｂ）は下向きのティルト角の全方位を探査する場合に形成されるビームを示す図である。トランスデューサ１の各エレメントが受信した信号を列毎に合成するとき、下の段のエレメントが受信した信号ほど大きく位相を遅らせることにより、受波ビームの指向性が下向きにすることができる。水平キャリア信号発生部１２Ｈは、奇数の各段ｊ＝１〜１５および偶数の各段ｊ＝２〜１６のエレメントの信号位相を上記のような関係にするため、ｊ＝３〜１５およびｊ＝４〜１６に供給する７個のキャリア信号を発生する（最上段ｊ＝１，２の信号は位相を遅らせない）。ｊ＝１を基準としてｊ＝２〜１６の位相を遅らせる。ビーム形成部１１はｊ＝３〜１５，４〜１６の受信信号にこのキャリア信号を乗算したのちｊ＝１〜１５およびｊ＝２〜１６の信号を別々に加算合成することにより、６０個の垂直ビーム信号を形成する。なお、各段の位相の遅延量を加減することにより、受波ビームに０°〜４５°の範囲でティルト角を持たせることができる。また、上向きの受波ビームを形成する場合には、これとは逆に上段のエレメントの信号ほど大きく位相を遅らせるようにすればよい。
【００２０】
なお、水平モード時に送波部２は、各段間の位相関係が上記受波ビームと同様の信号を全周のエレメントに同時に供給することによって、受信時のティルト角と同じティルト角を有する円盤状または傘状の送波ビームを全周にわたって同時に形成する。
【００２１】
一方、垂直モード時には、トランスデューサ１のうち探査する方位のエレメントのみを使用する。図５は垂直モード時に形成される受波ビームおよび送波ビームを説明する図である。垂直モード時には、各段毎に探査方位を中心として左右３個ずつ合計６個（ｉ＝ｋ−３〜ｋ＋２）のエレメントを使用する。各段の６個のエレメントが受信した信号を合成するとき同図（Ａ）に示すように、中央部ほど大きく位相を遅らせて合成することにより、同図（Ｂ）に示すように水平方向の指向性が絞られ垂直方向にはブロードな水平ビームが形成される。水平ビームは各段毎に形成されるため、ビーム形成部１１は垂直モード用のマルチプレクサ１５にｊ＝１〜１６の１６個の垂直ビーム信号を出力する。
【００２２】
垂直キャリア信号発生部１２Ｖは、６個のエレメントの信号位相を同図（Ａ）のような関係にするため、中央部４個のエレメントに供給する２種類のキャリア信号を発生する。すなわち、左右は同じ位相シフト量でよいため、左右両端（ｉ＝ｋ−３，ｋ＋２）の信号は位相を遅らせず、ｉ＝ｋ−２，ｋ＋１およびｉ＝ｋ−１，ｋの信号には同じキャリア信号を供給すればよい。ビーム形成部１１はｉ＝ｋ−２〜ｋ＋１の受信信号にこのキャリア信号を乗算したのちｉ＝ｋ−３〜ｋ＋２の信号を加算合成することにより、水平ビーム信号を形成する。なお、水平ビームはエレメントｋを選択することによって方位を変更することができるため、垂直ビームのティルト角のように角度を変える必要がなく固定でよい。
【００２３】
送波部２は、垂直モード時には、各段の位相関係が同図（Ｃ）または同図（Ｅ）のような信号を各エレメントに同時に供給することによって、垂直方向にブロードな送波ビームを形成する。同図（Ｃ）の信号を供給した場合、上下方位に均等にブロードな同図（Ｄ）のような送波ビームが形成され、同図（Ｅ）の信号を供給した場合、同図（Ｆ）のような下向きにブロードな送波ビームが形成される。
【００２４】
水平モード用のマルチプレクサ１４は、垂直ビーム信号ｉの選択を、ＯＤＤを奇数列、ＥＶＮを偶数列として、ＯＤＤ１，ＥＶＮ２，ＯＤＤ２，ＥＶＮ１，…，ＯＤＤ３０，ＥＶＮ３０の順に一定間隔で切り換えることによってビームを旋回させ水平スキャン信号を形成する。このビームの旋回を滑らかに行うため、選択されている奇数段ＯＤＤの垂直ビーム信号を乗算器１６に入力して図６（Ａ）のＯＤＤの三角波信号を乗算し、選択されている偶数段ＥＶＮの垂直ビーム信号を乗算器１７に入力して図６（Ａ）のＥＶＮの三角波信号を乗算したのち、加算器１９で両信号を加算合成する。なお、三角波信号は補間信号発生器１８が発生して乗算器１６，１７に出力する。これにより、加算器１９から出力される水平スキャン信号は、１個の超音波振動子エレメントを旋回させた場合の受信特性と同様の信号となる。すなわち、遠方の音源から到来する一定周波数の信号を受信したとき、水平スキャン信号は、図６（Ｂ）のように旋回によって周波数がドップラシフトし、その音源と旋回角度との関係に応じてシフト量が変化するチャープ信号を含むものとなる。チャープ信号とは、同図に示すように周波数が徐々に低くなってゆく信号であり、具体的には、信号を受信しはじめたとき音源に向かってビームが旋回しているためドップラシフトによって周波数が上昇しており、旋回方位が徐々に横向きになるにつれてシフト量が少なくなり、後半は音源から遠ざかる方位に旋回するため徐々に周波数が低くなるようにドップラシフトしてゆく信号である。
【００２５】
このチャープ信号波形は、旋回角速度が一定で音源の周波数が定まっていれば一義的に定まるものであるため、これを検出することにより音源（物標）の存在とその方位を検出することができる。
【００２６】
図２において、相関器２５は上記チャープ信号の存在を検出するとともに、ビーム圧縮を行う。相関器２５にはセレクタ２７を介して参照波形記憶手段であるＲＯＭ２６が接続されている。ＲＯＭ２６は、水平モード用のチャープ信号波形を記憶する２６Ｈおよび垂直モード用のチャープ信号波形を記憶する２６Ｖで構成されている。なお、同図では、ＲＯＭ２６Ｈ，２６Ｖを別々に設けセレクタ２７で切り換えるようにしているが、１つのＲＯＭに水平モード用の参照波形と垂直モード用の参照波形を一緒に記憶し、アクセスするアドレスによってこれらを切り換えるようにしてもよい。
【００２７】
相関器２５は、セレクタ２４を介して水平スキャン信号または垂直スキャン信号（後述）を９６サンプル入力し、この入力データと参照波形データとの相関を出力する。水平モードにおいて、水平スキャン信号は、マルチプレクサ１４の垂直ビーム選択クロックと同じクロックで相関器２５の９６段のシフトレジスタに順次入力され、シフトされてゆく。９６段のシフトレジスタには同じく９６サンプルの参照波形データが対応しており、各段において入力データと参照波形データとが比較され、その比較結果の加算合成値がこの相関器２５の出力データとして出力される。物標からの反射波が入射したとき、水平スキャン信号には、その物標の方位に対応するスキャンタイミングにその反射波の大きさに対応するチャープ信号波形が含まれているため、このチャープ信号波形が相関器２５に入力されたとき、チャープ信号波形である参照波形データと極めて高い相関性を示し相関器２５は大きな値を出力する。スキャン方位は、マルチプレクサ１４の選択クロックを出力するコントローラ３０が把握しているため、この方位データと相関器２５の出力データとを表示器４に出力することにより、その方位に物標の映像を表示することができる。なお、垂直ビームの旋回による水平スキャン信号の形成は、受波部による送波ビームの出力ののち、連続して繰り返し行われ近距離の反射波から遠距離の反射波を順次検出してゆき、表示部４には検出された物標が順次表示されてゆく。
【００２８】
一方、垂直モード用のマルチプレクサ１５には、垂直モード時にビーム形成部１１が形成した水平ビーム信号が入力される。マルチプレクサ１５は、２系統の出力部を有し、一方の系統は奇数段の水平ビーム信号を上（ｊ＝１）から順に切換出力してゆき、他方の系統は偶数段の水平ビーム信号を上（ｊ＝２）から順に切換出力してゆく。奇数段の水平ビーム信号は関数乗算部２０に入力される。偶数段の水平ビーム信号は関数乗算部２１に入力される。
【００２９】
図７は、マルチプレクサ１５、関数乗算部２０，２１、関数発生部２２の構成を示す詳細図、図８は、マルチプレクサ１５のスイッチングチャートおよび関数発生部２０，２１が発生する関数波形を示す図である。
マルチプレクサ１５は奇数段ｊ＝１，３，５，７，９，１１，１３，１５の水平ビーム信号をそれぞれＳＷ１，ＳＷ３，ＳＷ５，ＳＷ７，ＳＷ９，ＳＷ１１，ＳＷ１３，ＳＷ１５に入力し、偶数段ｊ＝２，４，６，８，１０，１２，１４，１６の水平ビーム信号をそれぞれＳＷ２，ＳＷ４，ＳＷ６，ＳＷ８，ＳＷ１０，ＳＷ１２，ＳＷ１４，ＳＷ１６に入力する。そして、コントローラ３０から入力される選択クロックに基づき、図８（Ａ）に示すタイミングチャートのように奇数系統と偶数系統が半位相ずつオーバーラップするようにタイミングをずらせてそれぞれ１つの水平ビーム信号を選択する。選択された水平ビーム信号は、関数乗算部２０，２１に入力される。垂直モードでは、ＳＷ１のオンタイミングからＳＷ１６のオフタイミングまでが１スキャンであり、この区間を窓関数で切り出すことによって垂直スキャン信号を形成する。すなわち、水平モードではビームを旋回させることによって境目のないスキャンを行うことができるが、垂直モードでは下端までスキャンすると上端に復帰するタイミングでスキャン信号が不連続となる。このためサイドローブの発生を防ぐために１スキャン毎に窓関数を乗算する。
【００３０】
関数乗算部２０，２１においては、この窓関数、滑らかな補間のための三角波信号、および、前記相関器２５で物標からの反射信号を検出するためのチャープ信号が乗算される。これら関数乗算部２０，２１は、乗算による鏡像の発生を除去するためダブルバランスドで構成されている。関数乗算部２０は、マルチプレクサ１５から入力された奇数系統の水平ビーム信号（−ｃｏｓθo ）を分岐し、一方を直接乗算器２０３に入力するとともに他方をディレイ２０１でπ／２遅らせて−ｓｉｎθｏの信号に変換したのち乗算器２０２に入力する。関数発生部２２は、図８（Ｂ）に示すように窓関数波形と三角波信号波形とを合成した波形信号である−ｆITP にチャープ信号波形ｓｉｎθM を乗算した信号−ｆITP ｓｉｎθM を乗算器２０３に入力するとともに、これをπ／２進めた信号である−ｆITP ｃｏｓθM を乗算器２０２に入力する。そして乗算器２０２，２０３の乗算結果を加算器２３で加算する。これにより、
【００３１】
【数１】
【００３２】
に示すように差θo −θM の成分が除去され、和θo ＋θM の成分のみを取り出すことができる。
【００３３】
一方、偶数系統においても関数乗算部２１は、マルチプレクサ１５から入力された偶数系統の水平ビーム信号（ｃｏｓθe ）を分岐し、一方を直接乗算器２１３に入力するとともに他方をディレイ２１１でπ／２遅らせてｓｉｎθe の信号に変換したのち乗算器２１２に入力する。関数発生部２２は、図８（Ｂ）に示すように窓関数波形と三角波信号波形とを合成した波形信号である−ｆITP にチャープ信号波形ｓｉｎθM を乗算した信号−ｆITP ｓｉｎθM を乗算器２１３に入力するとともに、これをπ／２進めた信号である−ｆITP ｃｏｓθM を乗算器２１２に入力する。そして乗算器２１２，２１３の乗算結果を加算器２３で加算する。これにより、
【００３４】
【数２】
【００３５】
に示すように差θe −θM の成分が除去され、和θe ＋θM の成分のみを取り出すことができる。これら奇数系統，偶数系統の信号を加算合成することによって滑らかな垂直スキャン信号を生成することができる。
【００３６】
ここで、図１に示すように、垂直スキャン信号に含まれる反射波の周波数は、入射角αに相関してドップラシフトしている。このシフト量を検出することにより入射角αを検出することができるが、前記相関器２５を用いドップラシフト量（周波数値）を時間データに変換するため垂直スキャン信号にチャープ信号を乗算する。
【００３７】
図９は、チャープ信号を乗算された垂直スキャン信号を相関器２５に入力してドップラシフト量を検出する原理を説明する図である。同図（Ａ）は、入射角度０度の場合を示しており、同図（Ｂ）は入射角度３０度の場合を示している。各図において、上段はこれを波形的に示した図であり、下段はこれを周波数的に示した図である。なお、この図は信号がシフトされてゆく状態を示しているため、垂直スキャン信号は右側ほど古い信号である。垂直スキャン信号は同図左側に示すようにチャープ信号が乗算されたことにより周波数が時間軸で変化する信号になっている。
【００３８】
一方、参照波形として相関器２５に設定されるチャープ信号は同図右側に示すように垂直スキャン信号よりも長く広範囲わたって周波数が変化する信号になっている。この変化範囲は、入射角０度〜４５度（下向き）の信号を受信したときの垂直スキャン信号のドップラシフトの範囲に対応している。垂直スキャン信号は、受信した信号の入射角に応じてドップラシフトしており、このドップラシフト周波数をバイアスにしてチャープ波形が重畳されている。この垂直スキャン信号は、相関器２５に設定される参照波形のチャープ信号のいずれか一部と一致するが、その一致した箇所が前記ドップラシフト量すなわち入射信号の入射角αに対応している。
【００３９】
垂直スキャン信号が、クロックにしたがって相関器２５内にシフトされてゆき、参照波形の一部区間と一致したとき、相関器２５は最大値の信号を出力する。垂直スキャン信号がそのときどこまでシフトされているかは、クロックに基づいてコントローラ３０が把握しているため、このシフト位置に基づいて算出された角度データと相関器２５の出力データとを表示器４に出力することにより、相関器２５が高い出力値を出力した角度に物標があるとしてその映像を表示することができる。なお、垂直スキャンは、受波部２による送波ビームの出力ののち、繰り返し行われ近距離の反射波から遠距離の反射波を順次検出してゆく。これにより、表示部４には、相関器２５の出力に応じて図１０のような映像が表示される。
【００４０】
なお、トランスデューサの構成は図３に示した１６段３０列のものに限定されない。また、垂直スキャンの範囲も０°〜４５°の範囲に限定されず上向きに垂直スキャンできるようにしてもよい。
【００４１】
また、ドップラシフト量（周波数偏移量）の検出は、チャープ信号を乗算して相関器２５で検出する方式に限定されない。
【００４２】
また、上記実施形態では、相関器２５を水平モードと垂直モードで兼用しているが、水平モード，垂直モードそれぞれ別の相関器を備え、完全に別系統で探査するようにしてもよい。
【００４３】
【発明の効果】
以上のようにこの発明によれば、ほぼ円筒形状に超音波振動子エレメントが配列されたトランスデューサを用いて垂直方向のスキャンをすることができるため、一般のスキャニングソナーを用いて垂直方向のスキャンを行うことができる。また、通常は水平方向のスキャンを行い、必要に応じて垂直方向のスキャンに切り換えることができる。また、この水平モードと垂直モードの構成部を共通化して構成の簡略化、小型化、低価格化を実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明のドップラシフト量により入射角度を検出する方式の原理を説明する図
【図２】この発明の実施形態であるスキャニングソナーの全体構成を示す図
【図３】同スキャニングソナーに用いられるトランスデューサの構成を示す図
【図４】同スキャニングソナーが形成する垂直ビームを説明する図
【図５】同スキャニングソナーが形成する水平ビームを説明する図
【図６】水平モードにおける補間と信号入射方位検出の原理を説明する図
【図７】垂直スキャン信号を形成する関数発生部、関数乗算部の詳細図
【図８】同関数発生部が発生する関数波形を示す図
【図９】垂直モードにおける信号入射角度検出の原理を説明する図
【図１０】垂直モードにおける表示例を示す図
【符号の説明】
１…トランスデューサ、Ａｉｊ…（超音波振動子）エレメント、
２…送波部、３…受波部、４…表示部、
１１…ビーム形成部、１２Ｈ…水平キャリア信号発生部、
１２Ｖ…垂直キャリア信号発生部、
１４…（水平モード用）マルチプレクサ、
１５…（垂直モード用）マルチプレクサ、
１６，１７…（補間用三角波信号を乗算する）乗算器、
１８…補間信号発生器、１９…加算器、
２０，２１…（三角波信号，窓関数，チャープ信号を乗算する）関数乗算部、
２２…関数発生部、２３…加算器、
２５…相関器、
２６Ｈ…（水平モード時の参照波形データが記憶された）ＲＯＭ、
２６Ｖ…（垂直モード時の参照波形データが記憶された）ＲＯＭ、
３０…コントローラ
【発明の属する技術分野】
この発明は、円筒形のトランスデューサを用いて垂直方向（円筒の軸方位）のスキャンを行う信号入射角度検出装置、信号の入射角度検出方法およびスキャニングソナーに関する。
【０００２】
【従来の技術】
水中にある物標を検出するため、スキャニングソナーがよく用いられている。スキャニングソナーは、周囲の全方位の物標を探査するため、図３に示すようにほぼ円筒形のトランスデューサを備えている。そして、全周に向けて超音波ビームを送出し、縦列のエレメントが受信した反射信号を適当なディレイタイムで合成することによって垂直方向の指向性が所定角度に絞られた垂直ビームを形成し、円筒を周回するように列の選択を切り換えることによってこの垂直ビームを回転させ、全方位の物標を探査するようになっている。また、各エレメントのディレイタイムを切り換えることによって垂直方向の指向性に角度（ティルト角）をつけることができこれにより、全方位の上下一定角度について物標を探査することができる。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、上記構成のスキャニングソナーでは、スキャン方位は水平に限られ、垂直方向に物標を探査しようとする場合には、ティルト角を切り換えながら水平にスキャンを繰り返すしか方法がなかった。
【０００４】
また、トランスデューサを球状に構成し、水平方向のみならず、縦方位にもビームを回転させることのできるものが提案されているが、球状のものは、ビーム形成時のエレメントの組み合わせが複雑になるとともに、最も主要な使用形態である水平方向にスキャンする水平モード時の探査性能が円筒形のトランスデューサに比べて劣るという欠点があった。
【０００５】
この発明は、円筒形に超音波振動子エレメントを配列したトランスデューサを用い、垂直方向のスキャンを行うことができる信号入射角度検出装置、信号の入射角度の検出方法およびスキャニングソナーを提供することを目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
この出願の請求項１の発明は、複数段、複数列の超音波振動子エレメントをほぼ円筒形に配列したトランスデューサと、
探査方位を中心とする一部の列のエレメントが受信した信号を各段別に加算して水平方向に狭い指向性を有する水平ビーム信号を形成する水平ビーム形成手段と、
各段の水平ビーム信号を上または下から順に切り換えて合成することによって垂直スキャン信号を形成する垂直スキャン信号形成手段と、
該垂直スキャン信号に所定の第１のチャープ信号を乗算した信号と、前記垂直スキャン信号よりも長く広範囲にわたって周波数が変化する信号である第２チャープ信号との相関処理を行なうことにより受信信号の入射角度を検出する角度検出手段と、
を備えたことを特徴とする。
【０００７】
この出願の請求項２の発明は、複数段、複数列の超音波振動子エレメントをほぼ円筒形に配列したトランスデューサを用い、
探査方位を中心とする一部の列のエレメントが受信した信号を各段別に加算して水平方向に狭い指向性を有する水平ビーム信号を形成し、
各段の水平ビーム信号を上または下から順に切り換えて合成することによって垂直スキャン信号を形成し、
該垂直スキャン信号に所定の第１のチャープ信号を乗算した信号と、前記垂直スキャン信号よりも長く広範囲にわたって周波数が変化する信号である第２チャープ信号との相関処理を行なうことにより受信信号の入射角度を検出することを特徴とする。
【０００８】
この出願の請求項３の発明は、複数段、複数列の超音波振動子エレメントをほぼ円筒形に配列したトランスデューサと、
探査方位を中心とする一部の列のエレメントが受信した信号を各段別に加算して水平方向に狭い指向性を有する水平ビーム信号を形成する水平ビーム形成手段と、
各段の水平ビーム信号を上または下から順に切り換えて合成することによって垂直スキャン信号を形成する垂直スキャン信号形成手段と、
該垂直スキャン信号に所定の第１のチャープ信号を乗算した信号と、前記垂直スキャン信号よりも長く広範囲にわたって周波数が変化する信号である第２チャープ信号との相関処理を行なうことにより受信信号の入射角度を検出する角度検出手段と、
段方向のエレメントを各列別に加算して垂直方向に狭い指向性を有する垂直ビーム信号を形成する垂直ビーム形成手段と、
各列の垂直ビーム信号を周回の順番に切り換えて合成することによって水平スキャン信号を形成する水平スキャン信号形成手段と、
該水平スキャン信号の受信信号からの周波数偏移に基づいて所定方向からの信号を取り出す信号生成手段と、
を備え、水平モード時に前記垂直ビーム形成手段、水平スキャン信号形成手段および信号生成手段を有効にし、垂直モード時に前記水平ビーム形成手段、垂直スキャン信号形成手段および角度検出手段を有効にすることを特徴とする。
【０００９】
この出願の請求項４の発明は、請求項３の発明において、前記角度検出手段および信号生成手段は、同一の相関器を含むことを特徴とする。
【００１０】
図面を参照してこの発明の原理について説明する。図１（Ａ）において、受信手段Ｒが速度ｖで矢印の方位に直線運動をしており、この受信手段Ｒに対して入射角度αで周波数ｆｓの信号が到来しているとすると、
受信手段Ｒが受信する信号の周波数ｆはドップラ効果により、
ｆ＝（１＋（ｖ／ｃ）ｓｉｎα）ｆｓ
となる（ただし、ｃ：音速）。到来する信号の周波数ｆｓが既知であるとすると、上記式にドップラシフトした周波数ｆを当てはめることにより、信号の入射角度αを割り出すことができる。
【００１１】
同図（Ａ）は物理的に受信手段を移動させた例であるが、複数の受信手段を１列に配置し、これを順次切り換えることによって受信手段を物理的に移動させた場合と同様の効果を得ることができる。同図（Ｂ）にこの例を示す。この図では、受信手段Ｒを等間隔ｄで複数個配列している。そして、これをスイッチング周波数ｓで順番に切り換えてゆくことにより、ｖ＝ｄ・ｓの速度で受信手段を移動させたことと等価になる。
【００１２】
この発明では、上記の原理を用い、ほぼ円筒形状に超音波振動子エレメントが配列されたトランスデューサを用いて垂直方向のスキャンを実現した。すなわち、受信手段Ｒとして、各段に周状に配置されたエレメントのうち探査方位を中心とする数個を受信手段として用いる。この数個のエレメントが受信した信号を合成することによって水平方向に狭く絞られた指向性を有し垂直方向にはブロードな水平ビームを形成することができる。このように水平ビームを形成することにより、水平方向の探査方位以外から入射する信号をキャンセルすることができる。そして、このようにして形成された各段の水平ビーム信号を上段から下段または下段から上段へと切り換えながら合成してゆくことにより垂直スキャン信号を形成することができる。全ての水平ビーム信号は図１に示したものと同様同じ信号を受信した信号であるため、ビームを切り換えてゆくことはそのビームのエレメント分移動したことと同様になり、受信信号の周波数がドップラシフトする。そして、このドップラシフト（周波数偏移）量は、入射角度αの関数になっている。したがって、このドップラシフト量を検出することにより入射角度αを割り出すことができる。なお、この発明において、ほぼ円筒形状は、上底面と下底面の径が異なる円錐台も含む概念である。
【００１３】
そして、ほぼ円筒形のトランスデューサを用いたスキャニングソナーは、通常は垂直方向に狭く絞られた指向性を有するスタティックな垂直ビームを形成し、これを水平方向に旋回させることによって入射する信号をチャープ信号に変換し、どの角度でチャープ信号が現れるかによって信号の入射方位を検出する（特公昭６３−７３５０号参照）。請求項３の発明では、この水平モードと上記垂直モードを切り換えて動作させることができる。これにより、通常は水平モードで動作させ必要に応じて垂直モードで垂直方向のスキャンをすることができる。この場合に、水平モードでチャープ信号の検出に用いているマッチドフィルタなどの相関器を垂直モードにおける周波数偏移量の検出に用いることにより構成部を共通化して構成の簡略化、小型化、低価格化を実現することができる。
【００１４】
【発明の実施の形態】
図面を参照してこの発明のスキャニングソナーについて説明する。図２は同スキャニングソナーのブロック図、図３は同スキャニングソナーに用いられる超音波トランスデューサの構成図である。図３に示すようにトランスデューサ１は１段３０列、１６段の合計４８０個の超音波振動子エレメントＡｉｊ（ｉ＝１〜３０、ｊ＝１〜１６）で構成されている。奇数段のエレメントと偶数段のエレメントは互いにエレメント幅の半分だけずらされて煉瓦をくみ上げたような千鳥状に配列されている。このトランスデューサ１は船舶の底部に円筒の軸が垂直になるように設置される。なお、船舶においては主として水平から海底に向かう角度を探査するため上底面が下底面よりも大きい逆向きの円錐台の形状にされているものもある。このトランスデューサ１には送波部２および受波部３が接続されている。送波部２は、各エレメントに所定位相の超音波信号を供給して超音波ビームを水中に送波する。
【００１５】
受波部３において、トランスデューサ１の各エレメントは、個別にビーム形成部１１に接続されている。ビーム形成部１１は、各エレメントから入力された信号を所定の位相シフトして合成することにより受波ビームを形成する。所定のティルト角で全周を探査する水平モード時には、各列毎に全段のエレメントの信号を合成することによって、垂直方向に鋭く指向性が絞られた垂直ビームを形成する。また、特定の方位の垂直断面を探査する垂直モード時には、その探査方位を中心とする例えば６個（左右３個ずつ）のエレメントが受信した信号を各段毎に合成することによって、水平方向に鋭く指向性が絞られた水平ビームを形成する。
【００１６】
この水平ビーム，垂直ビームを形成するためには、各エレメントの信号を所定の位相関係で合成する必要がある。ビーム形成部１１は、各エレメントの信号がこの位相関係になるように受信信号を増幅するとともに所定のキャリア信号を乗算して位相をシフトする。このキャリア信号はセレクタ１３を介してキャリア信号発生部１２（１２Ｈ，１２Ｖ）から供給される。セレクタ１３は、コントローラ３０によって制御され、水平モード時には水平キャリア信号発生部１２Ｈが発生するキャリア信号をビーム形成部１１に供給し、垂直モード時には垂直キャリア信号発生部１２Ｖが発生するキャリア信号をビーム形成部１１に供給する。
【００１７】
なお、この実施形態のスキャニングソナーは、水平モード時は、例えば０°〜４５°（下向き）のティルト角の範囲で全周を探査することができ、垂直モード時は所定方位の０°〜４５°の範囲を探査することができる。
【００１８】
図４は水平モード時にビーム形成部１１が形成する垂直ビームを説明する図である。同図（Ａ）は水平（ティルト角＝０°）の全方位を探査する場合に形成されるビームを示す図である。トランスデューサ１のエレメントが受信した信号を各列毎に全段同じ位相で合成することにより、垂直方向の指向性が絞られ水平方向にはブロードな垂直ビームが形成される。ビーム形成部１１は、垂直ビームを形成するとき、奇数段ｊ＝１，３，５，７，９，１１，１３，１５のエレメントの信号と偶数段ｊ＝２，４，６，８，１０，１２，１４，１６のエレメントの信号を別に合成することにより、奇数段ＯＤＤの垂直ビーム信号ｉ＝１〜３０および偶数段ＥＶＮの垂直ビーム信号ｉ＝１〜３０を水平モードのマルチプレクサ１４に供給する。
【００１９】
一方、同図（Ｂ）は下向きのティルト角の全方位を探査する場合に形成されるビームを示す図である。トランスデューサ１の各エレメントが受信した信号を列毎に合成するとき、下の段のエレメントが受信した信号ほど大きく位相を遅らせることにより、受波ビームの指向性が下向きにすることができる。水平キャリア信号発生部１２Ｈは、奇数の各段ｊ＝１〜１５および偶数の各段ｊ＝２〜１６のエレメントの信号位相を上記のような関係にするため、ｊ＝３〜１５およびｊ＝４〜１６に供給する７個のキャリア信号を発生する（最上段ｊ＝１，２の信号は位相を遅らせない）。ｊ＝１を基準としてｊ＝２〜１６の位相を遅らせる。ビーム形成部１１はｊ＝３〜１５，４〜１６の受信信号にこのキャリア信号を乗算したのちｊ＝１〜１５およびｊ＝２〜１６の信号を別々に加算合成することにより、６０個の垂直ビーム信号を形成する。なお、各段の位相の遅延量を加減することにより、受波ビームに０°〜４５°の範囲でティルト角を持たせることができる。また、上向きの受波ビームを形成する場合には、これとは逆に上段のエレメントの信号ほど大きく位相を遅らせるようにすればよい。
【００２０】
なお、水平モード時に送波部２は、各段間の位相関係が上記受波ビームと同様の信号を全周のエレメントに同時に供給することによって、受信時のティルト角と同じティルト角を有する円盤状または傘状の送波ビームを全周にわたって同時に形成する。
【００２１】
一方、垂直モード時には、トランスデューサ１のうち探査する方位のエレメントのみを使用する。図５は垂直モード時に形成される受波ビームおよび送波ビームを説明する図である。垂直モード時には、各段毎に探査方位を中心として左右３個ずつ合計６個（ｉ＝ｋ−３〜ｋ＋２）のエレメントを使用する。各段の６個のエレメントが受信した信号を合成するとき同図（Ａ）に示すように、中央部ほど大きく位相を遅らせて合成することにより、同図（Ｂ）に示すように水平方向の指向性が絞られ垂直方向にはブロードな水平ビームが形成される。水平ビームは各段毎に形成されるため、ビーム形成部１１は垂直モード用のマルチプレクサ１５にｊ＝１〜１６の１６個の垂直ビーム信号を出力する。
【００２２】
垂直キャリア信号発生部１２Ｖは、６個のエレメントの信号位相を同図（Ａ）のような関係にするため、中央部４個のエレメントに供給する２種類のキャリア信号を発生する。すなわち、左右は同じ位相シフト量でよいため、左右両端（ｉ＝ｋ−３，ｋ＋２）の信号は位相を遅らせず、ｉ＝ｋ−２，ｋ＋１およびｉ＝ｋ−１，ｋの信号には同じキャリア信号を供給すればよい。ビーム形成部１１はｉ＝ｋ−２〜ｋ＋１の受信信号にこのキャリア信号を乗算したのちｉ＝ｋ−３〜ｋ＋２の信号を加算合成することにより、水平ビーム信号を形成する。なお、水平ビームはエレメントｋを選択することによって方位を変更することができるため、垂直ビームのティルト角のように角度を変える必要がなく固定でよい。
【００２３】
送波部２は、垂直モード時には、各段の位相関係が同図（Ｃ）または同図（Ｅ）のような信号を各エレメントに同時に供給することによって、垂直方向にブロードな送波ビームを形成する。同図（Ｃ）の信号を供給した場合、上下方位に均等にブロードな同図（Ｄ）のような送波ビームが形成され、同図（Ｅ）の信号を供給した場合、同図（Ｆ）のような下向きにブロードな送波ビームが形成される。
【００２４】
水平モード用のマルチプレクサ１４は、垂直ビーム信号ｉの選択を、ＯＤＤを奇数列、ＥＶＮを偶数列として、ＯＤＤ１，ＥＶＮ２，ＯＤＤ２，ＥＶＮ１，…，ＯＤＤ３０，ＥＶＮ３０の順に一定間隔で切り換えることによってビームを旋回させ水平スキャン信号を形成する。このビームの旋回を滑らかに行うため、選択されている奇数段ＯＤＤの垂直ビーム信号を乗算器１６に入力して図６（Ａ）のＯＤＤの三角波信号を乗算し、選択されている偶数段ＥＶＮの垂直ビーム信号を乗算器１７に入力して図６（Ａ）のＥＶＮの三角波信号を乗算したのち、加算器１９で両信号を加算合成する。なお、三角波信号は補間信号発生器１８が発生して乗算器１６，１７に出力する。これにより、加算器１９から出力される水平スキャン信号は、１個の超音波振動子エレメントを旋回させた場合の受信特性と同様の信号となる。すなわち、遠方の音源から到来する一定周波数の信号を受信したとき、水平スキャン信号は、図６（Ｂ）のように旋回によって周波数がドップラシフトし、その音源と旋回角度との関係に応じてシフト量が変化するチャープ信号を含むものとなる。チャープ信号とは、同図に示すように周波数が徐々に低くなってゆく信号であり、具体的には、信号を受信しはじめたとき音源に向かってビームが旋回しているためドップラシフトによって周波数が上昇しており、旋回方位が徐々に横向きになるにつれてシフト量が少なくなり、後半は音源から遠ざかる方位に旋回するため徐々に周波数が低くなるようにドップラシフトしてゆく信号である。
【００２５】
このチャープ信号波形は、旋回角速度が一定で音源の周波数が定まっていれば一義的に定まるものであるため、これを検出することにより音源（物標）の存在とその方位を検出することができる。
【００２６】
図２において、相関器２５は上記チャープ信号の存在を検出するとともに、ビーム圧縮を行う。相関器２５にはセレクタ２７を介して参照波形記憶手段であるＲＯＭ２６が接続されている。ＲＯＭ２６は、水平モード用のチャープ信号波形を記憶する２６Ｈおよび垂直モード用のチャープ信号波形を記憶する２６Ｖで構成されている。なお、同図では、ＲＯＭ２６Ｈ，２６Ｖを別々に設けセレクタ２７で切り換えるようにしているが、１つのＲＯＭに水平モード用の参照波形と垂直モード用の参照波形を一緒に記憶し、アクセスするアドレスによってこれらを切り換えるようにしてもよい。
【００２７】
相関器２５は、セレクタ２４を介して水平スキャン信号または垂直スキャン信号（後述）を９６サンプル入力し、この入力データと参照波形データとの相関を出力する。水平モードにおいて、水平スキャン信号は、マルチプレクサ１４の垂直ビーム選択クロックと同じクロックで相関器２５の９６段のシフトレジスタに順次入力され、シフトされてゆく。９６段のシフトレジスタには同じく９６サンプルの参照波形データが対応しており、各段において入力データと参照波形データとが比較され、その比較結果の加算合成値がこの相関器２５の出力データとして出力される。物標からの反射波が入射したとき、水平スキャン信号には、その物標の方位に対応するスキャンタイミングにその反射波の大きさに対応するチャープ信号波形が含まれているため、このチャープ信号波形が相関器２５に入力されたとき、チャープ信号波形である参照波形データと極めて高い相関性を示し相関器２５は大きな値を出力する。スキャン方位は、マルチプレクサ１４の選択クロックを出力するコントローラ３０が把握しているため、この方位データと相関器２５の出力データとを表示器４に出力することにより、その方位に物標の映像を表示することができる。なお、垂直ビームの旋回による水平スキャン信号の形成は、受波部による送波ビームの出力ののち、連続して繰り返し行われ近距離の反射波から遠距離の反射波を順次検出してゆき、表示部４には検出された物標が順次表示されてゆく。
【００２８】
一方、垂直モード用のマルチプレクサ１５には、垂直モード時にビーム形成部１１が形成した水平ビーム信号が入力される。マルチプレクサ１５は、２系統の出力部を有し、一方の系統は奇数段の水平ビーム信号を上（ｊ＝１）から順に切換出力してゆき、他方の系統は偶数段の水平ビーム信号を上（ｊ＝２）から順に切換出力してゆく。奇数段の水平ビーム信号は関数乗算部２０に入力される。偶数段の水平ビーム信号は関数乗算部２１に入力される。
【００２９】
図７は、マルチプレクサ１５、関数乗算部２０，２１、関数発生部２２の構成を示す詳細図、図８は、マルチプレクサ１５のスイッチングチャートおよび関数発生部２０，２１が発生する関数波形を示す図である。
マルチプレクサ１５は奇数段ｊ＝１，３，５，７，９，１１，１３，１５の水平ビーム信号をそれぞれＳＷ１，ＳＷ３，ＳＷ５，ＳＷ７，ＳＷ９，ＳＷ１１，ＳＷ１３，ＳＷ１５に入力し、偶数段ｊ＝２，４，６，８，１０，１２，１４，１６の水平ビーム信号をそれぞれＳＷ２，ＳＷ４，ＳＷ６，ＳＷ８，ＳＷ１０，ＳＷ１２，ＳＷ１４，ＳＷ１６に入力する。そして、コントローラ３０から入力される選択クロックに基づき、図８（Ａ）に示すタイミングチャートのように奇数系統と偶数系統が半位相ずつオーバーラップするようにタイミングをずらせてそれぞれ１つの水平ビーム信号を選択する。選択された水平ビーム信号は、関数乗算部２０，２１に入力される。垂直モードでは、ＳＷ１のオンタイミングからＳＷ１６のオフタイミングまでが１スキャンであり、この区間を窓関数で切り出すことによって垂直スキャン信号を形成する。すなわち、水平モードではビームを旋回させることによって境目のないスキャンを行うことができるが、垂直モードでは下端までスキャンすると上端に復帰するタイミングでスキャン信号が不連続となる。このためサイドローブの発生を防ぐために１スキャン毎に窓関数を乗算する。
【００３０】
関数乗算部２０，２１においては、この窓関数、滑らかな補間のための三角波信号、および、前記相関器２５で物標からの反射信号を検出するためのチャープ信号が乗算される。これら関数乗算部２０，２１は、乗算による鏡像の発生を除去するためダブルバランスドで構成されている。関数乗算部２０は、マルチプレクサ１５から入力された奇数系統の水平ビーム信号（−ｃｏｓθo ）を分岐し、一方を直接乗算器２０３に入力するとともに他方をディレイ２０１でπ／２遅らせて−ｓｉｎθｏの信号に変換したのち乗算器２０２に入力する。関数発生部２２は、図８（Ｂ）に示すように窓関数波形と三角波信号波形とを合成した波形信号である−ｆITP にチャープ信号波形ｓｉｎθM を乗算した信号−ｆITP ｓｉｎθM を乗算器２０３に入力するとともに、これをπ／２進めた信号である−ｆITP ｃｏｓθM を乗算器２０２に入力する。そして乗算器２０２，２０３の乗算結果を加算器２３で加算する。これにより、
【００３１】
【数１】
に示すように差θo −θM の成分が除去され、和θo ＋θM の成分のみを取り出すことができる。
【００３３】
一方、偶数系統においても関数乗算部２１は、マルチプレクサ１５から入力された偶数系統の水平ビーム信号（ｃｏｓθe ）を分岐し、一方を直接乗算器２１３に入力するとともに他方をディレイ２１１でπ／２遅らせてｓｉｎθe の信号に変換したのち乗算器２１２に入力する。関数発生部２２は、図８（Ｂ）に示すように窓関数波形と三角波信号波形とを合成した波形信号である−ｆITP にチャープ信号波形ｓｉｎθM を乗算した信号−ｆITP ｓｉｎθM を乗算器２１３に入力するとともに、これをπ／２進めた信号である−ｆITP ｃｏｓθM を乗算器２１２に入力する。そして乗算器２１２，２１３の乗算結果を加算器２３で加算する。これにより、
【００３４】
【数２】
に示すように差θe −θM の成分が除去され、和θe ＋θM の成分のみを取り出すことができる。これら奇数系統，偶数系統の信号を加算合成することによって滑らかな垂直スキャン信号を生成することができる。
【００３６】
ここで、図１に示すように、垂直スキャン信号に含まれる反射波の周波数は、入射角αに相関してドップラシフトしている。このシフト量を検出することにより入射角αを検出することができるが、前記相関器２５を用いドップラシフト量（周波数値）を時間データに変換するため垂直スキャン信号にチャープ信号を乗算する。
【００３７】
図９は、チャープ信号を乗算された垂直スキャン信号を相関器２５に入力してドップラシフト量を検出する原理を説明する図である。同図（Ａ）は、入射角度０度の場合を示しており、同図（Ｂ）は入射角度３０度の場合を示している。各図において、上段はこれを波形的に示した図であり、下段はこれを周波数的に示した図である。なお、この図は信号がシフトされてゆく状態を示しているため、垂直スキャン信号は右側ほど古い信号である。垂直スキャン信号は同図左側に示すようにチャープ信号が乗算されたことにより周波数が時間軸で変化する信号になっている。
【００３８】
一方、参照波形として相関器２５に設定されるチャープ信号は同図右側に示すように垂直スキャン信号よりも長く広範囲わたって周波数が変化する信号になっている。この変化範囲は、入射角０度〜４５度（下向き）の信号を受信したときの垂直スキャン信号のドップラシフトの範囲に対応している。垂直スキャン信号は、受信した信号の入射角に応じてドップラシフトしており、このドップラシフト周波数をバイアスにしてチャープ波形が重畳されている。この垂直スキャン信号は、相関器２５に設定される参照波形のチャープ信号のいずれか一部と一致するが、その一致した箇所が前記ドップラシフト量すなわち入射信号の入射角αに対応している。
【００３９】
垂直スキャン信号が、クロックにしたがって相関器２５内にシフトされてゆき、参照波形の一部区間と一致したとき、相関器２５は最大値の信号を出力する。垂直スキャン信号がそのときどこまでシフトされているかは、クロックに基づいてコントローラ３０が把握しているため、このシフト位置に基づいて算出された角度データと相関器２５の出力データとを表示器４に出力することにより、相関器２５が高い出力値を出力した角度に物標があるとしてその映像を表示することができる。なお、垂直スキャンは、受波部２による送波ビームの出力ののち、繰り返し行われ近距離の反射波から遠距離の反射波を順次検出してゆく。これにより、表示部４には、相関器２５の出力に応じて図１０のような映像が表示される。
【００４０】
なお、トランスデューサの構成は図３に示した１６段３０列のものに限定されない。また、垂直スキャンの範囲も０°〜４５°の範囲に限定されず上向きに垂直スキャンできるようにしてもよい。
【００４１】
また、ドップラシフト量（周波数偏移量）の検出は、チャープ信号を乗算して相関器２５で検出する方式に限定されない。
【００４２】
また、上記実施形態では、相関器２５を水平モードと垂直モードで兼用しているが、水平モード，垂直モードそれぞれ別の相関器を備え、完全に別系統で探査するようにしてもよい。
【００４３】
【発明の効果】
以上のようにこの発明によれば、ほぼ円筒形状に超音波振動子エレメントが配列されたトランスデューサを用いて垂直方向のスキャンをすることができるため、一般のスキャニングソナーを用いて垂直方向のスキャンを行うことができる。また、通常は水平方向のスキャンを行い、必要に応じて垂直方向のスキャンに切り換えることができる。また、この水平モードと垂直モードの構成部を共通化して構成の簡略化、小型化、低価格化を実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明のドップラシフト量により入射角度を検出する方式の原理を説明する図
【図２】この発明の実施形態であるスキャニングソナーの全体構成を示す図
【図３】同スキャニングソナーに用いられるトランスデューサの構成を示す図
【図４】同スキャニングソナーが形成する垂直ビームを説明する図
【図５】同スキャニングソナーが形成する水平ビームを説明する図
【図６】水平モードにおける補間と信号入射方位検出の原理を説明する図
【図７】垂直スキャン信号を形成する関数発生部、関数乗算部の詳細図
【図８】同関数発生部が発生する関数波形を示す図
【図９】垂直モードにおける信号入射角度検出の原理を説明する図
【図１０】垂直モードにおける表示例を示す図
【符号の説明】
１…トランスデューサ、Ａｉｊ…（超音波振動子）エレメント、
２…送波部、３…受波部、４…表示部、
１１…ビーム形成部、１２Ｈ…水平キャリア信号発生部、
１２Ｖ…垂直キャリア信号発生部、
１４…（水平モード用）マルチプレクサ、
１５…（垂直モード用）マルチプレクサ、
１６，１７…（補間用三角波信号を乗算する）乗算器、
１８…補間信号発生器、１９…加算器、
２０，２１…（三角波信号，窓関数，チャープ信号を乗算する）関数乗算部、
２２…関数発生部、２３…加算器、
２５…相関器、
２６Ｈ…（水平モード時の参照波形データが記憶された）ＲＯＭ、
２６Ｖ…（垂直モード時の参照波形データが記憶された）ＲＯＭ、
３０…コントローラ
Claims (4)
- 複数段、複数列の超音波振動子エレメントをほぼ円筒形に配列したトランスデューサと、
探査方位を中心とする一部の列のエレメントが受信した信号を各段別に加算して水平方向に狭い指向性を有する水平ビーム信号を形成する水平ビーム形成手段と、
各段の水平ビーム信号を上または下から順に切り換えて合成することによって垂直スキャン信号を形成する垂直スキャン信号形成手段と、
該垂直スキャン信号に所定の第１のチャープ信号を乗算した信号と、前記垂直スキャン信号よりも長く広範囲にわたって周波数が変化する信号である第２チャープ信号との相関処理を行なうことにより受信信号の入射角度を検出する角度検出手段と、
を備えたことを特徴とする信号入射角度検出装置。 - 複数段、複数列の超音波振動子エレメントをほぼ円筒形に配列したトランスデューサを用い、
探査方位を中心とする一部の列のエレメントが受信した信号を各段別に加算して水平方向に狭い指向性を有する水平ビーム信号を形成し、
各段の前記水平ビーム信号を上または下から順に切り換えて合成することによって垂直スキャン信号を形成し、
該垂直スキャン信号に所定の第１のチャープ信号を乗算した信号と、前記垂直スキャン信号よりも長く広範囲にわたって周波数が変化する信号である第２チャープ信号との相関処理を行なうことにより受信信号の入射角度を検出することを特徴とする信号の入射角度検出方法。 - 複数段、複数列の超音波振動子エレメントをほぼ円筒形に配列したトランスデューサと、
探査方位を中心とする一部の列のエレメントが受信した信号を各段別に加算して水平方向に狭い指向性を有する水平ビーム信号を形成する水平ビーム形成手段と、
各段の水平ビーム信号を上または下から順に切り換えて合成することによって垂直スキャン信号を形成する垂直スキャン信号形成手段と、
該垂直スキャン信号に所定の第１のチャープ信号を乗算した信号と、前記垂直スキャン信号よりも長く広範囲にわたって周波数が変化する信号である第２チャープ信号との相関処理を行なうことにより受信信号の入射角度を検出する角度検出手段と、
段方向のエレメントを各列別に加算して垂直方向に狭い指向性を有する垂直ビーム信号を形成する垂直ビーム形成手段と、
各列の垂直ビーム信号を周回の順番に切り換えて合成することによって水平スキャン信号を形成する水平スキャン信号形成手段と、
該水平スキャン信号の受信信号からの周波数偏移に基づいて所定方向からの信号を取り出す信号生成手段と、
を備え、水平モード時に前記垂直ビーム形成手段、水平スキャン信号形成手段および信号生成手段を有効にし、垂直モード時に前記水平ビーム形成手段、垂直スキャン信号形成手段および角度検出手段を有効にすることを特徴とするスキャニングソナー。 - 前記角度検出手段および信号生成手段は、同一の相関器を含むことを特徴とする請求項３に記載のスキャニングソナー。
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