JPH0479584B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 (a) 技術分野 この発明は、広範囲方向に超音波パルスを送受
信して水中の広範囲方向を探知する水中探知装置
に関し、特に、分解能を低下させることなく、よ
り広範囲を探知できるようにした水中探知装置に
関する。

(b) 従来技術とその欠点 水中の広範囲方向を探知する場合、一般には、
広範囲方向に超音波パルスを同時に送信して、各
方向から帰来する反射波を各方向毎に別個に抽出
する。各方向の反射波の抽出は、各方向から帰来
する反射波を複数個の超音波振動子で受信して、
得られた各振動子の受信信号を位相合成すること
により、特定の方向に受信感度を有する指向性受
信ビームを形成する。そして、この指向性受信ビ
ームによつて探知範囲を走査して、各方向毎に帰
来する反射波を受信する。

このようにして超音波振動子群の受信信号を位
相合成するとき、特定方向に最も強い受信感度が
形成されるが、不要方向にも極めて弱いながら受
信感度が形成される。この不要方向の受信感度は
通常副極ビームと呼ばれている。

従来の広範囲水中探知装置において副極ビーム
の指向方向から帰来する反射波の強度が比較的強
い場合、表示影像に種々の弊害を生じさせる。た
とえば、直下の海底を含む広範囲方向に超音波パ
ルスを送信してその反射波を受信する場合、直下
の海底方向から極めて強い反射波が帰来する。し
たがつて、上記位相合成によつて形成される受信
ビームが、直下方向ではなく斜め方向を指向して
いるときでも、直下の海底方向からの反射波が上
記副極ビームによつて受信される。その結果、表
示影像上には副極ビームによる受信信号が虚像と
して表示される。第５図において、Ｂは真の海底
線の表示影像を示し、B′は副極ビームによる海
底の虚像を示す。

このように副極ビームによる弊害を除去する方
法として超音波パルスを送信する探知範囲を複数
の小区間に分割して、各小区間毎に異なる周波数
の超音波パルスを送受信する方法を、本出願人は
すでに出願しているが、たとえば第６図に示すよ
うに超音波振動子群からなる超音波振動子ユニツ
トによる走査範囲をθとし、その範囲をθ₁〜θ₄の
小区間に分割し、それぞれf₀₁〜f₀₄まで異なつた
超音波パルスを用いて送受信を行う。この方法に
よれば、たとえば探知範囲角θ₁を走査している途
中においてθ₂から反射波が帰来しても超音波の周
波数が異なるためf₀₁の超音波のみ抽出すること
ができ、影響を受けない。

このような水中探知装置は超音波振動子群たと
えばリニアアレイ型のものを用いることによつて
分解能を容易に高めることができる。しかし、リ
ニアアレイ型の探知範囲角は約120度が限界であ
り、それ以上の広範囲に亘つて探知することがで
きない。そこで、超音波振動子群からなる超音波
振動子ユニツトを複数個設け、探知範囲を分担す
るように用いることによつて全体として広範囲を
探知することができるが、ただ単に複数組設けた
だけでは幾つかの弊害が生じる。第７図Ａに示す
ように超音波振動子ユニツトを２つ設け、それぞ
れ周波数f₀₁→f₀₂→f₀₃→f₀₄の順に走査を行う場
合、f₀₄の超音波パルスが送信されるタイミング
はf₀₁よりわずかながら遅れる。このため、超音
波振動子ユニツトZ₁₁によるf₀₄の反射波と超音波
振動子ユニツトZ₁₂のf₀₁の区間における反射波の
受信タイミングに相当なずれを生じる。したがつ
てこのようにして得られる海底像およびエコーが
不連続となる問題がある。一方、第７図Ｂに示す
ように走査の順序を左右対称にすることによつて
海底像およびエコーに連続性を持たせることがで
きるが、図に示した例の場合、超音波振動子ユニ
ツトZ₁₁がf₀₄の区間を走査しているとき、Z₁₂によ
るf₀₄の区間の反射波を副極ビームが受信するこ
とになり、この部分において虚像が生じるおそれ
がある。

(c) 発明の目的 この発明の目的は、副極ビームによる虚像を除
去するとともに海底像やエコー等に段差のない像
を得ることを可能とし、しかも分解能を低下させ
ることなく、広範囲の水中を探知できるようにし
た広範囲水中探知装置を提供することにある。

(d) 発明の構成および効果 この発明の広範囲水中探知装置は、電子的に一
方向に走査され、一定方向に指向性を有する超音
波を送信する複数個の超音波振動子が配列されて
構成される超音波振動子群からなる超音波振動子
ユニツトを備え、そのユニツトによる走査範囲を
複数の小区間に分割するとともに、各小区間での
超音波振動子の励振周波数を異ならせた水中探知
装置において、 広範囲の探知範囲を複数の角度範囲に区分し、
各角度範囲をそれぞれの走査範囲とする複数の超
音波振動子ユニツトを配置し、 走査範囲が隣接する少なくとも二つの超音波振
動子ユニツトが同時に送受信されないタイミング
で、各超音波振動子ユニツトの送受信タイミング
を時分割制御するとともに、互いに隣接する走査
範囲毎に走査方向を反転させる超音波振動子ユニ
ツト制御手段を設けたことを特徴とする。

以上のように構成することによつて、各超音波
振動子ユニツトが走査することによつて、各超音
波振動子ユニツトが走査する走査範囲の境界部分
の海底像およびエコーが連続性を失わず、またそ
の隣接する走査範囲は同時に走査されることがな
いため、互いに干渉することなく、海底像および
エコーに虚像が生じない。

この発明に係る広範囲水中探知装置の作用例を
第１図に示す。図より明らかなように、この例で
は、広範囲の探知範囲が超音波振動子ユニツト
Z₁₁の走査範囲θ₁₁と超音波振動子ユニツトZ₁₂の
走査範囲θ₁₂に区分され、この二つの走査範囲の
各小区間がf₀₁〜f₀₄の異なる周波数に割り当てら
れる。超音波振動子ユニツトZ₁₁とZ₁₂はいずれも
f₀₁→f₀₂→f₀₃→f₀₄の順に走査される。このように
超音波振動子ユニツトZ₁₁とZ₁₂による隣接する走
査範囲θ₁₁とθ₁₂の走査方向が反転しているため、
走査範囲の隣接位置（この例では直下）は各走査
範囲θ₁₁およびθ₁₂における走査開始タイミングか
ら同一時間後に送受信されるため、海底像および
エコーの時間差にズレが生じない。また、超音波
振動子ユニツトZ₁₁とZ₁₂による送受信は時分割さ
れて、たとえば先ず超音波振動子ユニツトZ₁₁に
よりθ₁₁の走査が行われ、次に超音波振動子ユニ
ツトZ₁₂によりθ₁₂の走査が行われる。したがつ
て、二つの超音波振動子ユニツトZ₁₁とZ₁₂による
走査範囲の隣接する小区間θ₄にそれぞれ同一の周
波数f₀₄を割り当てても、虚像の生じるおそれは
ない。

なお、第１図の例では二つの超音波振動子ユニ
ツトを用いて、探知範囲を二つの角度範囲に区分
したが、二つ以上の超音波振動子ユニツトを用い
て、探知範囲をそれぞれの走査範囲で区分した場
合も同様である。

(e) 実施例 ＜探知範囲の分割＞ この発明の実施例では、第１図に示したよう
に、広範囲の探知範囲を、二つの超音波振動子ユ
ニツトZ₁₁とZ₁₂による走査範囲θ₁₁とθ₁₂に区分し、
各区分をそれぞれθ₁，θ₂，θ₃，θ₄の四つの小区間
に分割する。

＜全体のブロツク図＞ 第２図はこのような２つの超音波振動子ユニツ
トを用いた水中探知装置のブロツク図である。
Z₁₁およびZ₁₂は上述の通り、それぞれ超音波振動
子を直線上に配列してユニツト化した超音波振動
子ユニツトである。送受切換器３０ａ，３０ｂは
送信回路２から出力された送信信号を超音波振動
子ユニツトZ₁₁およびZ₁₂に供給するか、あるいは
Z₁₁およびZ₁₂が超音波パルスの反射波を受波した
ことによつて発生した信号を受信回路に供給する
か、を切り換えるための回路である。またゲート
３１ａ，３１ｂはフリツプフロツプ１７の出力信
号に基づいて導通またはハイインピーダンスに切
り換えるためのゲート回路であり、Ｑが“Ｈ”レ
ベルであるとき、ゲート３１ａが導通状態、３１
ｂがハイインピーダンスとなつて受信時において
超音波振動子ユニツトZ₁₁の出力した信号が受信
回路に供給される。逆にが“Ｈ”レベルである
ときゲート３１ｂは導通状態、３１ａはハイイン
ピーダンスとなつて超音波振動子ユニツトZ₁₂か
ら出力された信号が受信回路に供給される。

送信回路２においてゲート回路２１５ａおよび
２１５ｂは多相周波信号を選択的に増幅器２１６
ａおよび２１６ｂに出力するためのゲート回路で
ある。フリツプフロツプ１７の出力Ｑが“Ｈ”レ
ベルであれば、ゲート２１５ａが導通し、多相周
波信号を増幅器２１６ａに出力する。逆にが
“Ｈ”レベルであればゲート２１５ｂが導通し、
増幅器２１６ｂに多相周波信号が出力される。し
たがつて送信時においてＱが“Ｈ”レベルのとき
超音波振動子ユニツトZ₁₁が駆動され、が“Ｈ”
レベルのときZ₁₂が駆動される。

１３はキーイングパルス生成回路であり、送信
回路および受信回路にトリガ信号を与える。送信
回路２はこの信号に基づいて前記多相周波信号を
発生する。また受信回路はこの信号に同期して受
信動作を行う。表示装置１４はいわゆるラスタス
キヤン方式の表示管を用い、表示すべき内容を記
憶するメモリを備え、さらに受信回路から出力さ
れて信号を極座標系から直交座標に座標変換して
表示用メモリに書き込む機能を備えている。

掃引回路１５は前記キーイングパルスに同期し
て表示装置１４の掃引を行う。

＜具体的回路＞ 第３図は第２図に示した水中探知装置の詳細な
回路図である。

超音波振動子ユニツトZ₁₁とZ₁₂はそれぞれ８個
の振動子より構成されている。

＜送信部＞ 送信信号生成回路２は、出願人が特願昭57−
137745号特公昭63−043033号で示した多相周波信
号の生成装置が用いられる。すなわち、カウンタ
２０１によつてROM２０３の記憶データが読み
出されるとき、ラツチ回路２０４から出力される
８相の周波信号がゲート２１５ａまたは２１５ｂ
を介して増幅器２１６ａまたは２１６ｂに導かれ
る。ここでＱが“Ｈ”レベルであれば、ゲート２
１５ｂが導通して、増幅器２１６ｂによつて増幅
された多相周波信号が超音波振動子ユニツトZ₁₁
に供給される。

なお、このとき切換器３０ａ〜３０ｂは増幅器
２１６ａ〜２１６ｂの出力がZ₁₂，Z₁₁と接続され
るように切り換えられている。

超音波振動子ユニツトから送信される超音波信
号の合成指向特性は各振動子を励振する励振信号
の位相関係によつて決定される。そして、励振信
号すなわち矩形波列の位相関係はROM２０３の
記憶データによつて適宜設定することができる。

ROM２０３はカウンタ２０１によつて記憶デ
ータが読み出されるが、その読み出し領域が数値
設定回路２０７によつて切り換えられる。読み出
し領域の切り換えは第１図に示した探知範囲角
θ₁₁またはθ₁₂における４つの領域に切り換えられ
るように設定されている。

数値設定回路２０７はカウンタ２０８の計数値
に対応してROM２０３の読み出し領域を順次切
り換え指定する。そして、第１領域が指定されて
いる間、カウンタ２０１の読み出しによつて生成
された矩形波が超音波振動子ユニツトに導かれる
とき、第１図に示した探知範囲角θ₁₁またはθ₁₂に
おけるθ₁の範囲角方向に超音波信号が送信され
る。すなわち、第１領域においては、超音波振動
子ユニツトから出力される超音波信号の合成指向
特性がθ₁の範囲角方向になるように、上記矩形波
列の位相関係が設定されている。次に第２領域に
切り換えられると、超音波信号の送信方向が、第
１図に示した探知角θ₁₁またはθ₁₂におけるθ₂の範
囲角方向になるように各矩形波列の位相関係が設
定される。同様にして、第３領域、第４領域が設
定されている。

ROM２０３の第１領域〜第４領域までの読み
出し領域の切り換えは、カウンタ２０８によつて
極めて短時間内に行われる。カウンタ２０８はゲ
ート２０９を経て導かれるクロツクパルス源２１
０のパルス列を計数する。ゲート２０９はキーイ
ングパルス生成回路からキーイングパルスが出力
されたとき導通して、カウンタ２０８が桁上げパ
ルス（第４図中ｃ）を出力するまでの間導通す
る。

第３図に示したキーイングパルス生成回路１３
は、第４図においてａに示すように、周期T_pの
パルス列を生成し、これによつて超音波パルスの
送信が開始される。

ゲートパルス生成回路２１４はゲート２０９の
導通時間T_sに第４図においてｄに示すゲートパ
ルスを生成する。このゲートパルスはゲート２１
５ａまたは２１５ｂから出力される矩形波列をゲ
ートパルスの発生時間だけ通過させる。

カウンタ２０８は、上記のようにして数値設定
回路２０７を制御して超音波パルスの送信方向を
制御すると同時に、各方向に送信する超音波の周
波数をも制御する。すなわち、このカウンタの出
力はデコーダ２１２に導かれて、ゲート２１１₁
〜２１１₄を制御することにより行われる。分周
回路２０２はクロツクパルス源２０６のパルス列
を分周して周波数が異なる４種類の分周波をそれ
ぞれ生成する。したがつて、ゲート２１１が順に
導通するとき、OR回路２１３を経て周波数の異
なる分周がカウンタ２０１に導かれる。

このことによつて第１図に示した探知範囲各
θ₁₁またはθ₁₂におけるθ₁，θ₂，θ₃，θ₄の各方向に
周波数f₀₁，f₀₂，f₀₃，f₀₄のそれぞれ異なる超音波
パルスが送信される。

第４図に示す信号ｇはフリツプフロツプのＱが
“Ｈ”レベルのとき、ゲート２１５ｂから出力さ
れる信号であり、P₁，P₂，P₃，P₄はそれぞれf₀₁，
f₀₂，f₀₃，f₀₄の周波信号を表す。また信号ｈは
が“Ｈ”レベルのときゲート２１５ａから出力さ
れる信号を表す。

＜受信部＞ 超音波振動子ユニツトは水中に超音波パルスを
送信した後、水中からの反射波を受信して各超音
波振動子の受信信号を送受切換器３０ａまたは３
０ｂを経て移相回路４，５，６および７の各々へ
共通に送出する。各々の移相回路４，５，６およ
び７は同様に構成され、移相回路４について見る
と、混合回路４００、フイルタ４１０、混合回路
４２０で構成される。混合回路４００およびフイ
ルタ４１０は超音波振動子の受信信号中から特定
の周波数を抽出する。混合回路４２０は抽出した
周波信号を特定量ずつ移相させる。この移相量は
移相制御回路８から出力される移相用周波信号に
よつて決定される。また、特定の周波信号の抽出
は抽出用混合信号生成回路９から出力される混合
信号に基づいて行われる。移相制御回路８は周波
数が共通で位相がそれぞれ異なる多相周波信号を
生成する。実施例においては８個の混合回路４２
０が用いられているから、８相の周波信号が生成
され、各相の周波信号が混合回路４２０の各々へ
導かれる。他の移相回路５，６，７においても同
様に多相周波信号が導かれる。混合信号生成回路
９は、移相回路４，５，６，７の各々に対応して
複数の周波信号f₁₁，f₁₂，f₁₃，f₁₄を生成する。す
なわち、移相回路４，５，６，７における混合回
路４００，５００，６００，７００の各々は、超
音波振動子の受信信号に対して、混合信号生成回
路９から出力される信号f₁₁，f₁₂，f₁₃，f₁₄をそれ
ぞれ混合して、各フイルタ４１０，５１０，６１
０，７１０が各々の混合信号中から共通の周波信
号f₀を抽出できるようにする。ここでたとえば、
移相回路４においては、探知範囲θ₁方向の受信信
号f₀₁に混合信号生成回路９からの信号f₁₁を混合
して、その混合周波信号の差周波成分あるいは和
周波成分がf₀となるように、混合周波信号f₁₁を
f₁₁±f₀₁＝f₀となるように設定している。同様に、
f₁₂±f₀₂＝f₀、f₁₃±f₀₃＝f₀、f₁₄±f₀₄＝f₀となるよ
うに他の混合周波信号を設定している。

移相回路４，５，６，７において移相制御され
た各々の周波信号はマルチプレクサ１０に導かれ
る。マルチプレクサ１０は移相制御回路８のカウ
ンタ８０１の計数値に基づいて切り換え動作を行
い、移相回路４，５，６，７の各出力波を順に切
り換えて加算器１１へ出力する。加算器１１は４
つの移相回路のうちいずれか１つの周波信号を互
いに加算してフイルタ１２へ出力する。フイルタ
１２によつて抽出された特定の周波信号を増幅回
路１６が増幅し、表示装置１４に出力する。

次に、移相制御回路８、移相回路４，５，６，
７、加算回路１１およびフイルタ１２による指向
性受波ビームの形成原理を説明する。

例えば移相回路４におけるフイルタ４１０の出
力信号を Si（ｔ）＝Ei sin（ωt＋Ai） …(1) また、移相制御回路８のラツチ回路８０３の出
力信号を Ui（ｔ）＝Vi sin（ωc ｔ＋Bi） …(2) とする。ここでｉは８つのフイルタ回路４１０の
序数およびラツチ回路８０３の序数である。この
ときの混合回路４２０の各出力は Ci（ｔ）＝Si（ｔ）・Ui（ｔ） ＝（１／２）EiVi｛cos［（ω−ωc）ｔ ＋（Ai−Bi）］−cos［（ω＋ω）ｔ ＋（Ai＋Bi）］｝ …(3) となる。

(3)式から明らかなように、混合信号Ci（ｔ）は
フイルタの出力信号Si（ｔ）とラツチ回路の出力
信号Ui（ｔ）との差周波と和周波の成分で構成さ
れている。マルチプレクサ１０が混合回路４２０
を選択しているとき加算回路１１は混合回路４２
０の８つの出力を加算する。フイルタ１２が、前
記混合出力の差周波成分を抽出するものとすれ
ば、フイルタ１２の出力信号は CT（ｔ）＝₈ 〓 〓ⁱ⁼¹ １／２EiVi cos｛（ω−ωc）ｔ＋（Ai−Bi）｝…(4
) となる。

(4)式においてAi＝Biのとき、混合回路４２０
の各出力が同相になり、フイルタ１２の出力が最
大となる。したがつて、このときのフイルタ１２
の出力はｉ番目の振動子の受波信号が１番目の振
動子に対して移相差Aiを生じる方向（θ）に指
向性が形成されたことを示す。すなわち、(2)式に
示したラツチ回路の出力信号の移相差BiをAiに
設定することにより、θ方向に指向性受波ビーム
を形成することができ、かつ、移相差Biを変化
させることにより、指向方向θを変化させること
ができる。

さて、第３図の移相制御回路８において、カウ
ンタ８０１は分周回路８０４から入力されるパル
ス列を計数し、ROR８０２のアドレスを選択す
る。８個のラツチ回路はラツチパルス生成回路８
０５から出力されるラツチパルスによつてROM
８０２の出力信号をラツチする。このようにカウ
ンタ８０１によつてROM８０２の記憶データが
順次読み出されて、読出データがラツチ回路８０
３にラツチされることにより、８つのラツチ回路
８０３から８相の周波信号が出力される。この周
波信号は、実際には、ROM８０２の記憶データ
が二進値出力で送出されるから８相の矩形波列で
ある。

ROM８０２には、カウンタ８０１の計数動作
により、ラツチ回路８０３から出力される矩形波
列の位相関係が順次変化して、超音波振動子ユニ
ツトの受信指向方向が第１図に示した探知範囲角
θ₁₁内でS₀方向からS₁方向に順次走査するための
データを予め書き込んでいる。この場合、ある時
点における受信指向方向は前述したようにラツチ
回路から出力される矩形波列の位相関係により決
まり、矩形波列の位相関係はカウンタ８０１の計
数値に対応するから、カウンタ８０１の計数値か
ら受信指向方向を知ることができる。

カウンタ８０１の計数値出力はマルチプレクサ
１０に導かれて、マルチプレクサは受信指向方向
が特定角変化する毎に移相回路４，５，６，７の
出力周波信号を切り換えて加算器１１に導く。す
なわち、第１図において、受信指向方向がS₀方向
からS₁方向まで探知範囲角θ₁₁を走査するとき、
探知範囲θ₁を走査している間は移相回路４の出力
信号を加算器１１へ導く。そして、受信指向方向
が次の探知範囲θ₂を走査している間は移相回路５
の出力信号を加算器１１に導く。同様にして受信
指向方向が探知範囲θ₃，θ₄へと変化するとき、マ
ルチプレクサ１０は移相回路６，７の出力信号を
順に切り換えて加算器１１へ導く。

以上の結果、フイルタ１２からは、第１図に示
した探知範囲角θ₁₁内またはθ₁₂内を受信方向が変
化する指向性受信信号が出力される。

以上のようにして第１図に示したように探知範
囲角θ₁₁とθ₁₂を合わせてほぼ180度の広範囲に亘
つて探知を行うことができる。

＜実施例の効果＞ このようにフリツプフロツプFFのセツト／リ
セツト状態を一定周期で反転することによつて、
超音波振動子ユニツトZ₁₁とZ₁₂による送受信を交
互に行うことができる。

ところで、フリツプフロツプFFの状態によつ
て、ゲート３１ａまたは３１ｂが選択されるが、
このとき、スイツチングノイズが発生する。第４
図において信号ｉはその信号を表しているが、図
より明らかなように、フリツプフロツプの状態が
反転するときに発生する。このため、一方の超音
波振動子ユニツトが超音波パルスの反射信号のう
ち極短距離の反射信号を受信するとき、すなわ
ち、受信部におけるゲインが最も低い状態のと
き、また他方の超音波振動子ユニツトが最も遠距
離で、表示範囲を超えたときにスイツチングノイ
ズが発生するだけである。したがつて第２図や第
３図に示したように、混合回路やフイルタの手前
で超音波振動子を選択することができる。このた
め、ゲート３１ａ，３１ｂ以降の回路を共用する
ことができ、大幅なコストダウンを計ることがで
きる。

また、送信部において、送信周期が２倍となる
ことから増幅回路２１６ａ，２１６ｂを構成する
パワートランジスタの発熱量は半分となり、比較
的安価な低容量のパワートランジスタを用いるこ
とができる。

なお、実施例は４つの移相回路を用いて、その
出力をマルチプレクサによつて切り換える例であ
つたが、混合信号生成回路９の出力をマルチプレ
イクサよつて切り換えるように構成すれば、移相
回路４，５，６，７を一つにして、各周波数に共
用することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図はこの発明の実施例である水中探知装置
の作動状態を表す図、第２図は同水中探知装置の
ブロツク図、第３図はその具体的な回路図、第４
図は第３図に示した主要部分のタイミングチヤー
ト、第５図は従来の水中探知装置による影像、第
６図、第７図Ａ，Ｂはそれぞれ従来の水中探知装
置による探知方法を説明する図である。 Z₁₁，Z₁₂……超音波振動子ユニツト。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 電子的に一方向に走査され、一定方向に指向
   性を有する超音波を送信する複数個の超音波振動
   子が配列されて構成される超音波振動子群からな
   る超音波振動子ユニツトを備え、そのユニツトに
   よる走査範囲を複数の小区間に分割するととも
   に、各小区間での超音波振動子の励振周波数を異
   ならせた水中探知装置において、 広範囲の探知範囲を複数の角度範囲に区分し、
   各角度範囲をそれぞれの走査範囲とする複数の超
   音波振動子ユニツトを配置し、 走査範囲が隣接する少なくとも二つの超音波振
   動子ユニツトが同時に送受信されないタイミング
   で、各超音波振動子ユニツトの送受信タイミング
   を時分割制御するとともに、互いに隣接する走査
   範囲毎に走査方向を反転させる超音波振動子ユニ
   ツト制御手段を設けたことを特徴とする広範囲水
   中探知装置。