JPH04501316A - ソナー探査システム - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるため要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 ソナー探査システム 本発明は海洋等を探査するソナー探査システムに係る。

商業・社会及び科学目的の海洋環境の開発に近年前例のない進展が見られた。積 み荷を運ぶより大型の船への傾向と共にこれは正確な沖合探査の要望を増大させ た。

商業開発目的は海底の精密測定を必要とし、大型船は港接近での正確な深度測定 に対する必要性を生じさせる。海底に位置する対象は、それらが検出さるべき場 合高解度海底プロファイラ−の使用を必要とする。

海底又はそこの対象の地図を描くソナー探査システムは知られている。

これらのシステムは基本的に３つのタイプ、即ち、エコー音響ソナーと、サイド 走査ソナー及び扇形走査ソナーとからなる。

エコー音響ソナーシステムは音のパルスを垂直に下方にビームする能動素子から なる単送信／受信変換器を用いる。パルスの送信と海底から反射した信号の受信 との間の時間遅延の測定はその点での海の深さを示す。

ザイド走査ソナーシステムは探査船の両側に海底形状を得るための一対のソナー 変換器を用いる。各変換器は短音響パルスを側方下方に送信する。これらのソナ ー変換器のそれぞれは図１　（ａ）に示す如く線形配列で配置された多く能動素 子ｌＯからなる。送信パルスの後方散乱により生じた各戻り音響信号はこれらの 素子から信号出力を生じる。出力信号Ｓを提供するよう各素子からの信号を加算 することにより、全体的に増した感度が得られるーこれは俯角（図２）で広く、 方位角（図１）で狭い。これは変換器１２のビームパターンと呼ばれる。従って 変換器は変換器の面に垂直である狭い方位角からのデータを受信するだけである 。

従って、各送信は変換器面に垂直である海底データの線をサイド走査システムの 周波数及びパワーに依然する最大範囲まで集めることになる。

ゆえに、船は海底の広い区域を走査するよう公知の軌道に沿って辿り、海底から の戻り信号は戻りの振幅に基づいた海底の形状を形成するのに用いられる。

温度又は塩分の急激な変化による問題を避けるために変換器は急激な変化を受け る水の層の下の水中又は、牽引「フィッシュｊに配置されつる。

扇形走査ソナーシステムはサイド走査システムと同様な変換器配列を用いる。し かし、変換器の個々の素子ｌＯからの信号の時間遅延を導びくことにより、（方 位角の）狭ビームパターンが変換器の面に作る角度にりうる。これはビームパタ ーンを「向きを決める」として知られている。１つのソナー送信で、素子１０か らの出力信号は、加算する前に夫々の時間遅延を受け、変換器面への所定の角度 から海底データの線を生じ、次の送信で、異なる時間遅延は異なる方向からのデ ータの線を生じる。図３に示す如く夫々の方向のＫｌ乃至ＫＮに対する異なる時 間遅延ＫＩ乃至ＫＮを用いて海底データの扇形が形づくられつる。

最後の２つのシステムの主な欠点は受信されたデータから公知の位置で海洋深度 の精密な測定を行なうことができないことである。固定点での正確な深度を得る 為、エコー音響技術が用いられなければならない。

しかし、この方法は非常に時間がかかり、高価である。その理由は所定の領域Ａ を探査する為、船は図４に示す如く規則的間隔ＤＳで深度前でその領域に亘って 格子パターンで向きを決められなければならない。

本発明者は深度及び位置の情報の両方が得られつるソナー探査システムを案出し た。このシステムはサイド走査モード又扇形走査モードで用いられつる。

本発明によると、出力が遅延素子の複数のバンクに接続されたセンサ素子の配列 からなる受信変換器と、各方向から受信されたソナービームを表わす各バンクか らの対応する複数の出力信号を同時に提供するよう各バンクの遅延素子の出力を 加算する手段とを含むソナー探査システムが提供される。

望ましくは、複数の出力信号を同時に処理する並列処理システムが提供される。

望ましくは、この並列処理システムは、英国、ブリストルのインモスで製造、販 売されるトランスピユータのような１つ又はそれ以上の並列処理素子からなる。

サイド走査又は扇形走査ソナー探査システムに対して、第２の変換器が、第１の 変換器上に所定の距離で設けられ、出力が遅延素子の第２の複数のバンクに接続 されたセンサ素子の第２の配列と、第２の複数の各バンクからの該各方向からの 該第２の受信変換器により受信されたソナービームを表わす対応する第２の複数 の出力信号を同時に提供するよう第２の複数の各バンクの遅延素子の出力を加算 する手段とからなる。

望ましくは処理システムは所定の方向から受信されたソナービームを表わし、第 １の複数の遅延素子のバンクから、他が第２の複数の遅延素子のバンクの対の出 力信号を処理し、数対の出力信号は、その間の位相差を決定し、受信したソナー ビームの振幅を決定するよう処理される。

本発明の実施例を添付図面に関して例として説明する。

図１は出力信号が共に加算される能動センサ素子の線形配列からなる変換器の平 面図である。

図２は変換器から送信され、海底から反射されたソナーパルスを示す側面図であ る。

図３は出力が各遅延素子を通り、次に遅延素子により前もって決められた方向か ら受信したビームを表わすよう加算される能動センサ素子の線形配列からなるト ランスデユーサの平面図である。

図４は正規深度前が探査船下の海底の深度を決定するのに必要な場合、領域Ａに 亘って探査船がたどる典型的コースを示す。

図５は本発明による探査システムの変換器を示す。

図６ａはサイド走査又は扇形走査ソナー探査システム及び垂直に対しある角度ａ でそれらに接近するソナー戻りの２つの変換器を示す図である。

図６ｂは反射の点への深度及びそれへの水平距離を示す図である。

図７は図６ａの２つの変換器からの信号間の位相差の関係を俯角ａに関して示す 図である。

図８は変換器が取付けられる「フィッシュ」で生じつる異なる姿勢変化を示す図 である。

図９は本発明によるソナー探査システムの概略ブロック系統図である。

図１Ｏはフィッシュに取付けられた電子機器システムのブロック系統図である。

図１１は測定した位相角を俯角に変換するのに用いられる索引表である。

図１２は２つの変換器からの信号を処理するフィッシュ中の並列処理システムの ブロック系統図である。

ソナー探査システムは２つの部分からなり、１つが水密圧力容器内に収容され、 他が船上に保持される。システムの２つの部分は高速データリンクによりリンク される。圧力容器は、探査船に直接に設けられるか、又は牽引フィッシュ又は連 間水中動作できるものの中に設けられてもよい。海上ユニットは全システム用の 制御を提供し、記録設備や姿勢、ソナー振幅及び海底形状のオンラインＶＤＵ表 示器を設ける設備を含む。

システムの変換器は図５に示され、能動的センサ素子１０の線形配列からなる。

これらのセンサ素子からの出力は遅延素子の順次のバンクに■・・・ＫＮを通り 、各バンクの出力は夫々の方向ＤＩ−ＤＮから受信されたソナー戻りビームに対 応する夫々の出力信号５ｌ−３Ｎを提供するよう加算される。本発明により出力 信号５ｌ−ＳＮは同時に処理され、これにより変換器の位置から分かる如く、視 野の広い角度に亘って海底の視覚像を表わす表示が生成されうる。システムは、 図６ａ及び６ｂを参照して説明される如く、２つのかかる変換器Ｔｒｉ及びＴｒ ２からなり：変換器Ｔｒ１．Ｔｒ２の各々は図５に示す如くであり各々は遅延素 子の幾つかのバンクで各方向から受信された戻りビームに関連した出力信号対（ １つはＴｒｉから、及び他はＴｒ２から）を提供する。

図６ａ及び６ｂを参照するに、サイド走査ソナー干渉計の主原理が説明される。

変換器Ｔｒｉ及びＴｒ２は上下に配置され、短い距離でＮλ離間している（ここ でλは送信波の波長である。）ソナーパルスは１つの変換器例えばＴｒ２から送 信される。

ソナーの戻りは反射点の深さＤ及びそれへの水平距離ＤｓがＲＣｏｓａ及びＲ５ １ｎ　ａにより夫々与えられるような俯角ａである。ここでＲは反射の絶対範囲 である。ソナーの戻りは、上部変換器への経路長が量Ｘだけ大きいので、下部変 換器Ｔｒｉの少し後の上部変換器Ｔｒ２に達する。従って、２つの変換器の出力 信号間の位相差は下式で与えられる： Ｑ＝２Ｎ％Ｃｏｓ　ａ 上式から、位相角Ｑは０乃至９０の俯角での変化に対して′０乃至３６０６位相 シフトをＮ回受けることが分かる。これは、Ｎ＝３の値に対して多数の位相「フ リンジ」として図７に示される。Ｎ＞１に対して、位相角対俯角の関係において 異常がある。この異常を除去するのに、ソナー送信パルスの後に先ず変換器によ り、海底から先ず検出された海底からの信号の絶対位相を検出する必要がある。

システムは２つの方法を用いてもよい。

その一つにおいて、第１の戻り位相検出器は第１の戻りの絶対時間遅延を検出す る。他では、精密音響測深機から得た垂直深度データ、変換器の前海底形状デー タ及びビームパターンが、第１の戻りの位置及び絶対位相を推定するのに用いら れる。この２つの方法は補助検査モード又は独立型モードを用いられえ、動作モ ードは主船上作業インターフェースを介して選択される。

次に、最初の第１戻りデータは位相対俯角索引表にポインターを置くのに用いら れる。次に、順次位相データは、この索引表を介して軌道位相／俯角対に用いら れ、俯角への変換は正確な位相フリンジを用いることを確実にする。これは後述 する。

位相は、高速カウンタを開始させ、停止させるゼロクロス検出器を用いるディジ タル位相計により測定される。この情報は、位相角値の移動平均を行ない、左舷 及び右舷変換器からのデータを整理し、姿勢、状況。

エコー測深機、圧力データ等の情報を加算し、結果を主船上並列処理システムに 出力するオンライン並列処理システムに供給される。アベレージヤにより用いら れる位相角の値の数は作業者により設定される。

それらが海底を走査するにつれての変換器の姿勢の変化による誤差は主処理シス テムで作動するソフトウェアによりさかのぼって除去される。

このソフトウェアは６つの可能な姿勢変化、即ちロール、ピッチ。

ヨー、ヒープ、サージ、スウエーの測定を必要とし、これらは図８に示される。

ジャイロ及び加速度計からなる姿勢検知パッケージはこれらの値を測定するフィ ッシュに組込まれる。

図９は探査システムの主部品を示し、これらはフィッシュ電子機器ＦＥ、動作イ ンターフェース（制御・及び分析並列処理システム）ＰＥ。

高解像図形表示器ＣＤ、ディジタル大容量媒体ＳＴ及び位置決定装置ＰＦ（主船 位置決定装置からフィッシュのずれを測定するシステムを含む）である。フィッ シュのデータは高速双方向リンクＬＮを通って海上ユニットＳＵに送られる。こ れはフィッシュ位置決定装置の両方からの全ての入来データをディジタル記録媒 体に蓄積する。データのオンライン分析が海底形状のサンプルを生じるよう実行 され、探査データの品質がモニタされるようにする。システムＰＥは又フィッシ ュに収容された並列処理システムと通信するよう用いられ、全体探査システムの 動作パラメータにオンライン変化がなされるのを可能にする。

図１０はフィッシュ電子機器ブロック系統で示す。このフィッシュ電子機器は、 前置増幅器ＰＲＥ１及びＰＲＥ　２．自動利得制御増幅器ＡＧＣ１及びＡＧＣ２ ，並列処理信号取得素子Ｐ２．ソナーパルズ発生器ＳＰ、データ取得システムＤ Ａ、ディジタル位相計ＤＰ、第１の戻り位相計ＦＤ、システム状況及びアラーム 回路ＳＳＡ、並列処理制御及び通信素子Ｐｉ及びエンベロープ検出器ＥＤとから なる。図１Ｏに示されるシステムはＴｒｉ及びＴｒ２の夫々から１つの信号だけ が得られるよう簡略化され：。各変換器からの多重信号Ｓｌ乃至ＳＮが取扱われ る方法を図１２を参照して説明する。

作業者の制御下で、電力１期間及びソナーパルスの反復速度はセットパルス板Ｓ Ｐ、変換器Ｔｒ２を駆動するのに必要な電力を発生する電力増幅器ＰＡを介して Ｐｉにより設定される。正確なりロックパルスは又送信時間で開始される。ソナ ーパルス（又は「ビン」）が送信された直後に、Ｐｉの制御下でのデータ取得シ ステムＤＡは姿勢データを面に多重化し、状況及びアラーム回路ＳＳＡからのデ ータはこの時に送信される。システムは第１の戻りの検出を待ち、この時絶対位 相は第１の戻り位相計ＦＤにより決定され、このデータは後の参照のため蓄えら れる。

時間は正確クロックにより決定され、第１の戻りの検出で記録される。

クロック及び絶対位相データの両方は後の分析で使用される面に送られる。第１ の戻り検出器ＦＤはディジタル位相計ＤＰに位相データが処理用素子Ｐ２に送ら れるのを可能にさせる。

ディジタル位相計ＤＰはディジタルカウンタを始動又は停止させるゼロクロス検 出器を用いる。−これらのカウンタは一定レベルでそれらの信号出力を維持する 自動利得制御増幅器ＡＧＣＩ及びＡＧＣ２から供給される。ＰＲＥｌ及びＡＧＣ ｌを介して変換器Ｔｒｉに接続されたゼロクロス検出器は、測定がＴｒｉに関し てＴｒ２に常に同位相であるよう、他の検出器が順番にＴｒ２に接続されるのを 可能にするよう用いられる。

位相差は信号レベルが負から正の電圧（正状態の検出）に通る際、正から負の電 圧（負状態の検出）を通る信号に対して発生するゼロクロス検出間で測定される 。

正及び負状態の雨検出に対する位相値は並列処理素子Ｐ２に送られる（１つのデ ィジタルサンプルは一対のこれらの位相値からなる）。次にＲ２はこれらのディ ジタルサンプルの動作平均を実行し、この平均処理で用いられる値の数は作業者 によりプリセットされる。これは前置増幅器及びＡＧＣの直流ドリフトを除去す る。

Ａ／Ｄ変換器ＥＤ（図１０）からなるエンベロープ検出器は振幅デー多を並列処 理素子Ｐ２に供給する。ここでそれは面ユニットに送信する平均位相角データを 組み合わされる。これは、探査データの分析が支援するよう設備から従来のサイ ド走査ソナープロットを生成させる。このデータは不完全信号に戻りの領域を検 出するのにも用いられる。

システムを一例走査に対し説明する。フィッシュの左舷から右舷への情報を生成 するのに、下記の回路が再び用いられるニー図１Ｏで示されるような前置増幅器 、ＡＧＣ，エンベロープ検出器、ディジタル位相計。

第１の戻り検出器及びマイクロコンピュータ信号及び分析器。

最後の信号処理は、データを処理するよう一連のアルゴリズムを用いる船上並列 処理システムＰＥにより実行される。生データは後の分析の為ディジタル大容量 媒体ＳＴに先ず蓄積される。次に位相データは図１１に示される索引表を用いて 俯角に変換される。第１の戻りの値はこの表の正確の位置にポインタＰを位置さ せるのを可能にし；位相の次の値は俯角への変換値に対してポインタＰの囲りの サーチ窓Ｗを探すのに用いられ、ポインタＰは変換された最後の位相値により新 しい位置に更新される。

信号レベルが、その振幅が（エンベロープ検出器により検出される如く）所定の 最小値を越える設定レベル以下になる平均処理の値の数で設定される所定の最小 値以下になる時、変換は禁止される。これは、信号レベルが一般の雑音レベル以 下になる不感領域により生じつる誤りを除去する。入手可能なデータの最後の部 分から抽出されたものに等しい俯角の値は最新の値として用いられ、フラグは船 上表示器の不完全データ領域を示すのに用いられるこのデータに付けられる。次 にロールエラーが補正される。

次に、俯角範囲Ｒから深度／距離マトリックスへの変換がなされる。

絶対範囲Ｒは、探査区域で海の速度を測定し、次に第１の戻りの範囲を決定する ようクロックからのデータを用いることにより決定される。ここへの次の範囲は システムの速度をディジタル化することにより予め決定される。位置データは、 深度／位置マトリックスを生成するようヨー。

ピッチ、ヒップ、サージ、スウェー及び主船位置からのフィッシュずれの補正を 加えられる。最後に、このデータは作業者により要求されるような異なるフォー マットの図形表示器ＧＤに表示される。ハードコピーは必要により専有のグラフ ィックプロッタＧＰに得られる。

始めの信号処理が本質的に「ソフトフシステムにより実行されるので、この処理 の特値は船上主コンピユータにより場に変換されつる。従って、平均アルゴリズ ムの値の範囲は、探査される海底の特定のタイプ、変えられたシステムのディジ タル化速度、及び／又は変えられた変換器の分離及び船から下向きとされた新索 引表に適合するよう変化されてもよい。

電力の微細同調、送信パルスの期間及び反復のような他の変更も利用可能である 。最後に、変換器は、異なるソナー送信周波数が用いられつるよう変えられても よく、システムパラメータはこれによって変えられる。

従って、システム性能は、海底形状、海底上のフィッシュ走行高さ０、要望され る全区域、要望される測定の正確度に関して最適化されつる。

従って、上記監視システムは異なる送信周波数及びディジタル化速度で実行され てもよいことが分かる。更に、形成されたビームの数が２０又はそれ以上に変え られてもよい。次に、システムは、１つ又はそれ以上のビームパターンを用いる 移送の方向のいずれか一例か、１つ又はそれ以上のビームパターンを用いる位相 の方向を見るデータを得るよう用いられてもよい。

上記のことは、図１２に示される如く、（前置増幅器、ＡＧＣ及び位相計等から なる）並列処理素子及び関連した干渉計を拡大することにより達成される。並列 処理素子（トランスピユータ）の第１の群が設けられ、群の各素子は、１つがＴ ｒｌから、他がＴｒ２から、一対の信号を受ける。素子Ｔｌｌは、例えばＴｒｉ の第１の遅延バンクＫｌから加算した出力Ｓ１．Ｔｒ２の第１の遅延バンクから の対応する加算出力等を受ける。Ｔｌｌは各戻りビーム方向、及びこの戻りビー ムの振幅に対してＴｒｉとＴｒ２との間の位相差を決定する。このデータは、第 １群の２つの他の素子Ｔ２１及びＴａ２からの対応するデータと共に、かかる素 子の第２の群の並列処理素子Ｔ１２に通される。第２の群の３つの素子の各設定 の出力は更に並列処理素子等に通される。ある数の処理素子が第１の群にあり、 ３つの各設定は第２の群の１つの素子に接続され、低次素子のデータが全てが通 されるまでなさられ＝　（図１２にＴ、で示す如く）最後の素子は、船上設備へ の送信の為全てのチャネルから最後の出力へ位相及び振幅データを通す。

Ｔｒｉ（図６（ａ））による受信の後：Ｔｒ２の同じ信号の受信の間の時間遅延 の検出は相関技術を用いることにより変えられてもよい。ここで、２つの変換器 間の信号時間遅延は２つの受信した信号の相関を実行するよう並列処理素子を用 いることによって決定されうる。海底に最も近い変換器Ｔｒｉから受信した信号 に関して海底から最も遠い変換器Ｔｒ２からの信号を相関すると、最大相関を生 成するようＴｒｉから信号に導入される時間遅延を生じる。従って、最大相関点 はＴｒｉ及びＴｒ２＝Ｘ”ｃ間の信号時間遅延を生じる、ここでＣは水中の音の 速度である。従って、経路差Ｘ、俯角ａは計算されつる。相関技術に対するソナ ー送信信号は単一周波数、チャーブ、擬似乱数二進シーケンス、周波数変調され たスィーブ−線形又は非線形等でもよい。

特表平４−５０１３１６　（５） 国際調査報告 国際調査報告 ＧＢ　９００１２９１ Ｓ＾　３９１８０

Claims (6)

【特許請求の範囲】
1. １．出力が遅延素子の複数のバンクに接続されたセンサ素子の配列からなる受信 変換器と、各方向から受信されたソナービームを表わす各バンクからの対応する 複数の出力信号を同時に提供するよう各バンクの遅延素子の出力を加算する手段 とを含むソナー探査システム。
2. ２．該複数の出力信号を同時に処理する並列処理システムを更に有する請求項１ のソナー探査システム。
3. ３．第１の変換器上所定の距離に設けられた第２の受信変換器と、出力が遅延素 子の第２の複数のバンクに接続されたセンサ素子の第２の配列と、第２の複数の 各バンクからの１つ該各方向からの該第２の受信変換器により受信されたソナー ビームを表わす対応する第２の複数の出力信号を同時に提供するよう第２の複数 の各バンクの遅延素子の出力を加算する手段とからなる請求項２のソナー探査シ ステム。
4. ４．処理システムは所定の方向から受信されたソナービームを表わし、第１の複 数の遅延素子のバンクから、他が第２の複数の遅延素子のバンクからの対の出力 信号を処理し、該対の出力信号は、その間の位相差を決定し、受信したソナービ ームの振幅を決定するよう処理される請求項３のソナー探査システム。
5. ５．該処理システムは、第１群の各素子が該出力信号を対で処理する第１の群と 並列処理素子と、各素子が第１群の３つの素子の出力を受信する第２群並列処理 素子と、第２群の３つの素子の出力を受信する少なくとも１つの更なる並列処理 素子とからなる請求項４のソナー探査システム。
6. ６．第１の処理システムの最終の並列処理素子からの出力を受信し、探査される 地形の視覚像を提供するようその出力を処理する第２の処理システムを更に有す る請求項５のソナー探査システム。