JPH05249239A - 三次元測定及び地形イメージングソナー - Google Patents

三次元測定及び地形イメージングソナー

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JPH05249239A
JPH05249239A JP4182833A JP18283392A JPH05249239A JP H05249239 A JPH05249239 A JP H05249239A JP 4182833 A JP4182833 A JP 4182833A JP 18283392 A JP18283392 A JP 18283392A JP H05249239 A JPH05249239 A JP H05249239A
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signal
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JP4182833A
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James G Kosalos
ジェイムズ・ジィ・コサロス
Stephen J Szender
スティーブン・ジェイ・センダー
James L Roberts
ジェイムズ・エル・ロバーツ
John D Schlatter
ジョン・ディ・シュラッター
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Northrop Grumman Innovation Systems LLC
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Alliant Techsystems Inc
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Abstract

(57)【要約】 【目的】 自走性乗物の誘導などに使用できる三次元画
像を生成する単純で有効な方法を提供する。 【構成】 後方散乱信号について二次元位相差測定を実
行する。統計学的に見て数多くの空間的に多様な後方散
乱戻りについて方位角、仰角及び距離を計算し、それを
使用して後方散乱データのヒストグラムを構成する。そ
の後方散乱データのヒストグラムを標準画像処理方式に
よって処理して、水のボリュームの地形マップ又は三次
元測定モデルを得ることができる。本発明の方法に従っ
て構成したシステムは、機械的アレイ走査又は電子ビー
ム走査なしに音響化したボリュームの三次元マップを作
成することができる。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は、一般に、ソナーを使用
して三次元画像を形成する方法に関する。詳細にいえ
ば、本発明は、地形マッピング、地形追随及び障害物回
避などの用途に使用するめに空間の１つのボリュームの
統計モデルを作成する方法及び装置を提供する。
【０００２】
【従来の技術】自走性乗物の誘導、水中にある物体の識
別、地形プロファイルの作成などの適用用途において
は、水中環境を正確に三次元表示することが重大であ
る。ところが、多くの場合、そのような表示を作成する
プロセスは困難で、長い時間を要する。既存のシステム
は、水中環境について様々なレベルの近似を実行するた
めに多様な方法を採用している。そのようなシステムの
１つは横走査ソナーシステムである。横走査ソナーシス
テムでは、複数の素子アレイを使用して、水平方向には
細い（約１．５度）が垂直方向には相対的に幅の広い
（５０度程度）のビームを発生する。この細いファンビ
ームは、ソナーシステムが進んでゆく方向に対して垂直
の地形の一帯を照明する。ビームにより照明された水中
構造物からの後方散乱信号を時間の経過と共に記録し、
その影響化によって照明された地形を表す画素列にマッ
ピングする。
【０００３】元来の横走査ソナーは後方散乱強さを到来
時間に対して測定し、次に、時間の関数として測定した
後方散乱強さを画素の格子にマッピングしていた。この
マッピングは、地形が平坦であるという仮定の下に実行
された。このように底面が平坦であると仮定することに
よって、音響シェーデイングに起因する地形マップ中の
アーティファクトが発生する結果となる。
【０００４】１９８９年６月刊行のＴｈｅ Ｐｒｅｃｅ
ｅｄｉｎｇｓ ｏｆ ｔｈｅ ６ｔｈ Ｉｎｔｅｒｎａ
ｔｉｏｎａｌ Ｓｙｍｐｏｓｉｕｍ ｏｎ Ｕｎｍａｎ
ｎｅｄ Ｕｎｔｅｔｈｅｒｅｄ Ｓｕｂｍｅｒｓｉｂｌ
ｅ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙに掲載されたＷ．Ｋｅｎｎｅ
ｔｈ Ｓｔｅｗａｒｔの論文「Ｔｈｒｅｅ‐Ｄｉｍｅｒ
ｓｉｏｎａｌ Ｍｏｄｅｌｉｎｇ ｏｆ Ｓｅａｆｌｏ
ｏｒ Ｂａｃｋｓｃａｔｔｅｒ ｆｒｏｍ Ｓｉｄｅｓ
ｃａｎ Ｓｏｎａｒ ｆｏｒ Ａｕｔｏｎｏｍｏｕｓ
Ｃｌａｓｓｉｆｉｃａｔｉｏｎ ａｎｄ Ｎａｖｉｇａ
ｔｉｏｎ」は、音響化シェーデイングなどの問題を論じ
ている。Ｓｔｅｗａｒｔは、横走査ソナーシステムが生
成する地形マップを改善するために測深データを使用す
ることを提案した。近年の横走査ソナーは、元来のアレ
イ素子と平行な第２のソナー素子アレイのアレイを含ん
でいた。この第２の素子アレイを追加すると、後方散乱
信号の到来角を計算することができる。この到来角デー
タを使用して、その音響化により照明された地形の測深
モデルを構成するのである。その後、その測深モデルを
使用して地形マップを修正する。測深修正形横走査ソナ
ーは、地形を相当正確に表示できる。ところが、これは
かなり長い時間を要し、自走性乗物の誘導に利用できる
ようにするためには少なくとも２回にわたり地形を走査
しなければならない。
【０００５】能動ソナーシステムを使用して三次元画像
を生成する別の方法は、１９９０年６月刊行のＴｒａｒ
ｓａｃｔｉｏｎｓ ｏｆ ｔｈｅ ＡＳＭＥの第１１２
巻に掲載されたＪ．Ｍ．Ｃｕｓｃｈｉｅｒｉ及びＭ．Ｈ
ｅｒｂｅｒｔの論文「Ｔｈｒｅｅ‐Ｄｉｍｅｎｓｉｏｒ
ａｌ Ｍａｐ Ｇｅｎｅｒａｔｉｏｎ Ｆｒｏｍ Ｓｉ
ｄｅ‐Ｓｃａｎ Ｉｍａｇｅｓ」に記載されている。Ｃ
ｕｓｈｉｅｒｉとＨｅｒｂｅｒｔは、横走査システムに
類似し、自走性乗物の前方の領域をマッピングすること
ができる前向きシステムの利用を説明している。それら
のシステムは横方向走査のビーム（水平方向に細く、垂
直方向には広い）に類似するビームを発生する。さら
に、乗物の前方にあるボリュームの２つ以上の垂直の帯
領域を照明するために、ビームを機械的に又は電子的に
方向指定することができる。この種の前向きソナーは、
水平方向の分解能が高くなるにつれて、その複雑さを増
す。そのようなシステムの水平方向分解能はビームの水
平方向の幅と、水平方向に照明される個別の角度の数の
関数として決まる。水平方向と垂直方向の双方に高い分
解能を示す前向きシステムは、きわめて高価になるもの
と考えられる。
【０００６】最後に、単一の能動ソナーの送信から三次
元画像を形成するシステムが提案されている。通常、そ
のようなシステムは関心ボリューム全体を音響化し、次
に、複雑なビーム整形方法を使用して、そのボリューム
の中のそれぞれの点から到来した後方散乱の振幅を感知
する。そのようなシステムの分解能は発生するビームの
数と、ビームごとに達成しうる細さの程度とによって直
接に左右される。１回の能動ソナー送信から三次元画像
を形成することができるシステムを限定するのは、画像
処理の速度と、発生するビームの数の２つだけである。
現在のシステムでは、システムのコストと電子回路の複
雑さという面からビームの数が限られているので、通常
は画像にぶれが生じ、そのコントラストはアレイ／ビー
ム整形器により達成されるサイドローブレベルにより限
定されている。
【０００７】以上の説明からわかるように、三次元画像
の表示を生成する方法はその速度、有効性及び実用性に
関して様々である。従来の技術において、自走性乗物の
誘導などの用途に使用できる水中のボリュームの三次元
画像を生成する単純で有効な方法が長年にわたり必要と
されていたにもかかわらず、その要求が満たされていな
いことは明らかである。本発明はその要求を満たす一方
で、従来の技術で知られていた方法の上記の欠陥及びそ
の他の欠陥を回避するものである。
【０００８】
【発明の概要】以上説明した従来の技術の限界を克服す
ると共に、当業者には容易に認められる他の限界を克服
するために、本発明は、ボリューム内部で検出された構
造物を表す三次元画像を生成する方法及び装置を提供す
る。後方散乱信号について二次元微分位相測定を実行す
る。統計という意味で十分に多い数の空間的に多様な後
方散乱戻りについて方位角、仰角及び距離を計算し、そ
れらを使用して後方散乱データのヒストグラムを構成す
る。後方散乱データのヒストグラムを標準的な画像処理
方式によって処理し、三次元測定領域の地形マップ又は
三次元測定モデルを作成することができる。本発明の方
法に従って構成したシステムは、機械的アレイ走査又は
電子ビーム走査を行わずに音響化したボリュームの三次
元マップを作成することができる。
【０００９】本発明によれば、三次元測定走査ソナーシ
ステムは、三次元測定領域を音響化するために使用され
る音響信号を発生するプロジェクタと、三次元測定領域
内部の構成物から反射された後方散乱信号を受信する受
信器と、後方散乱信号の距離と到来角を確定するプロセ
ッサとを具備する。到来角データを距離及び振幅のデー
タと組合せて、三次元後方散乱ヒストグラムを構成す
る。本発明の別の面によれば、２つ以上の三次元測定走
査システムの組合わせを利用して、三次元測定領域をモ
デル化するときに達成しうる分解能を向上させることが
できる。本発明のさらに別の面によれば、後方散乱デー
タを収集する方法を開示するが、その方法は１つのボリ
ュームを複数の範囲に分割する過程と、各範囲内部で構
造物から反射される後方散乱信号を捕獲する過程と、捕
獲した後方散乱信号のパラメータを測定する過程と、以
後の処理のためにそれらのパラメータを記憶する過程と
を含む。本発明のさらに別の面によれば、地形をマッピ
ングする方法を開示するが、その方法は１つのボリュー
ムを複数の等しい大きさの立方体に分割する過程と、そ
れぞれの立方体の内部にある構造物から反射したと確定
された後方散乱データを記録する過程と、記録した後方
散乱データを使用して、ボリューム内部の構造物の表面
を確定する過程とを含む。
【００１０】
【実施例】好ましい実施例についての以下の詳細な説明
の中では、本明細書の一部を成す添付の図面を参照する
が、図面は本発明を実施しうる特定の実施例を実例とし
て示している。本発明の範囲から逸脱せずに他の実施例
を利用でき、また、構造上の変更を行っても差支えない
ことを理解すべきである。図１は、本発明と矛盾しない
三次元測定走査ソナーシステム１０の好ましい主要構成
要素を示す機能ブロック線図である。図示するように、
変換器アレイ１４は送信器１２と、受信器１６とに接続
している。アレイ１４は送信器１２からパルス形信号を
受信して、同じパルス幅とパルス間隔を有する音響信号
を発生する。さらに、アレイ１４は戻り音響信号を聴取
し、それらの信号を電気信号に変換する。その電気信号
は受信器１６へ送信される。
【００１１】また、図示する通り、送信器１２は受信器
１６にも接続している。受信器１６は、プロセッサ１８
により選択されたパルス繰返し数で同期信号Ｔ０を発生
する。送信器１２はこの信号Ｔ０を使用して、音響信号
送信、すなわち、ピン動作を開始すれば良い。受信器１
６は受動保護回路網を使用して、その高利得受信器回路
を保護する。図示した実施例においては、受信器１６は
プロセッサ１８に接続しており、後方散乱データ、その
他のセンサデータ（ピッチ及びロールなど）及びＴ０信
号が発生したことの通知をプロセッサ１８へ送信する。
そこで、プロセッサ１８は送信器１２により発生される
パルスの振幅と、繰返し数と、パルス幅を制御すること
ができる。
【００１２】変換器アレイ１４は送信器１２により発生
されたパルスを受信し、当該技術では良く知られている
方法によってそれらのパルスを音響信号に変換する。音
響信号は水中を進み、水の中にある構造物から反射され
る。反射した音響信号の一部は戻って来てアレイ１４に
当たり、そこで電気信号に変換される。受信器１６はそ
の電気信号を受信して増幅し、増幅した信号をサンプル
値後方散乱データに変換する。好ましい実施例では、プ
ロセッサ１８はそれらの反射音響信号のデジタルに表示
を受信し、それらを処理して後方散乱データのヒストグ
ラムを形成する。
【００１３】好ましい実施例のさらに詳細な機能ブロッ
ク線図を図２及び図３に示す。図２は、変換器アレイ１
４を、正三角形構成となるように配置されている３つの
変換器素子２０のアレイとして示している。その三角形
の面はアレイの面と平行である。３つの変換器素子２０
の中心は約二分の一波長の長さだけ離間している。送信
器１２は、電力増幅器２４を介して広帯域整合回路網２
６に接続する送信発生回路２２として示されている。好
ましい実施例では、素子２０の中の１つを音響信号プロ
ジェクタとして使用する。このことは図２に示されてお
り、整合回路網２６から発した送信信号は変換器素子２
０．１で終わる。
【００１４】受信器１６は送信器１２と、変換器アレイ
１４と、プロセッサ１８とに接続する。変換器アレイ１
４の各素子２０は別個の受信器チャネル２７により処理
される。素子２０から出た信号は送信エネルギー保護回
路２８を通過して、前置増幅器３０に至る。エネルギー
保護回路２８は、過励振を阻止するために前置増幅器に
向かう信号を制限する受動保護回路網である。前置増幅
器３０は受信した後方散乱信号を増幅し、それを時変利
得増幅器３２に供給する。時変利得増幅器３２は、水中
での減衰を補正するために、後方散乱信号を時間の関数
として増幅する。その結果得られた信号は低域フィルタ
３４を介してサンプルホールド（Ｓ＋Ｈ）回路３６に供
給される。サンプル値信号はアナログ／デジタル変換器
（Ａ／Ｄ）回路３８でデジタル表示に変換されて、通信
インタフェース４０と、直列データ線３５とを経てプロ
セッサ１８に至る。好ましい実施例においては、Ａ／Ｄ
３８は所望の正確さを得るために少なくとも１２ビット
に量子化することができなければならない。
【００１５】図２は、送信発生回路２２と、通信インタ
フェース４０とに接続するタイマー回路３９を示す。タ
イマー回路３９はシステムクロックから外れて動作し
て、送信器１２及びプロセッサ１８に同期信号を供給す
る。送信器１２の場合、信号線Ｔ０は、送信器が１つの
音響信号を発生すると想定されるたびに同期信号を供給
する。プロセッサ１８の場合には、タイマー回路３９
は、通信インタフェース４０を介してプロセッサ１８へ
送信される後方散乱サンプリングデータのストリームの
直前にＴ０データ語を挿入する。これにより、後方散乱
データの到達をプロセッサ１８に知らせる。通信インタ
フェース４０は、プロセッサ１８がタイマー回路３９に
より発生されるパルス繰返し数を制御するときに利用で
きるコンジットでもある。
【００１６】図２は、通信インタフェース４０に接続す
るセンサ装置３７を示す。センサ装置３７は変換器アレ
イの角度や高度などの事項を測定する。このデータはプ
ロセッサ１８へ送信されて、位相差測定から計算された
方位角、仰角及び距離を修正するために使用される。さ
らに、好ましい実施例では、プロセッサ１８がピン振幅
及びパルス幅を制御するために、通信インタフェース４
０は送信発生回路２２に接続している。
【００１７】図３は、計算部７２及び球面更新部７４に
接続する通信インタフェース７０を示す。計算部７２は
球面更新部７４に接続している。球面更新部７４はデカ
ルトマッピング部７６に接続している。デカルトマッピ
ング部７６は自己回帰格子更新部７８に接続している。
画像処理部８０は自己回帰格子更新部７８と、システム
制御装置８２とに接続している。システム制御装置８２
は通信インタフェース７０と、不揮発性メモリ８４と、
オペレータインタフェース８６とに接続している。通信
インタフェース７０は直列データ線３５を介して受信器
１６と通信する。計算部７２は通信インタフェース７０
からサンプル値後方散乱データを受信し、サンプルごと
に大きさと、到来角を計算する。球面更新部７４は計算
部７２から大きさと到来角のデータを受信し、受信器１
６から通信インタフェース７０を介して受信したセンサ
パラメータによって到来角データを修正する。デカルト
マッピング部７６は距離と球面更新部７４からの修正到
来角データを受信し、ボリューム中のその点と関連する
メモリ記憶場所を変換器アレイ１４の動きの関数として
計算する。自己回帰格子更新部７８はサンプルと関連す
る大きさをデカルトマッピング部７６により計算された
メモリ記憶場所の内容を加算する。
【００１８】統計という意味で多くの数の後方散乱サン
プルを取出した後、後方散乱データのヒストグラムを併
合し始める。ボリュームの中で、一貫して反射音響信号
を与える地点は、関連する記憶場所の数も多い。そこ
で、そのような反射強さの分布を使用して音響化したボ
リュームの性質を確定することができる。画像処理部８
０は後方散乱ヒストグラムを処理し、生成した画像をシ
ステム制御装置８２へ送信する。その画像をオペレータ
インタフェース８６で表示するか、又は不揮発性メモリ
８４に記憶することができる。また、変換器アレイ１４
が水のボリュームの中を移動するにつれて、将来の参照
と処理に備えて、既に通過したボリュームと関連する後
方散乱ヒストグラムデータをセーブしておく。システム
制御装置８２は、先に述べたように通信インタフェース
７０を介して制御指令を受信器１６へ転送することによ
り、ピン繰返し数、パルス幅及び振幅をも制御する。
【００１９】プロセッサ１８の好ましい実施例を図４に
示す。図４は、４枚のプリント回路カードから成るＶＭ
Ｅ利用システムを示す。通信インタフェース７０は、直
列データ線３５を介して受信器１６と通信すると共に、
３２ビット並列後方散乱データポート９０を介してＤＳ
Ｐカード９２と通信するＶＭＥコンパチブルカードであ
る。ＤＳＰカード９２は３２ビット並列後方散乱ヒスト
グラムポート９４を介してＤＳＰカード９６に接続して
いる。システム制御装置８２はＶＭＥバス９７を介して
通信インタフェース７０、ＤＳＰカード９２及びＤＳＰ
カード９６に接続している。システム制御装置８２はＳ
ＣＳＩデータ線を介して不揮発性メモリ８４に接続する
と共に、ビデオ表示装置９８と、キーボード９９とを含
むオペレータインタフェース８６にも接続している。Ｄ
ＳＰカード９２は計算部７２と、球面更新部７４と、デ
カルトマッピング部７６と、自己回帰格子更新部７８の
計算を実行する。ＤＳＰカード９６は更新後の後方散乱
ヒストグラムをヒストグラムポート９４を介して受信
し、それらをメモリにセーブすると共に、それらをビデ
オ表示装置９８に表示し且つ不揮発性メモリ８４に記憶
すべき画像に変換する。
【００２０】本発明の好ましい実施例では、ＤＳＰカー
ド９２及び９６は、テキサス州ダラスのＴｅｘａｓ Ｉ
ｎｓｔｒｕｍｅｎｔｓ製造によるＴＭＳ３２０Ｃ３０デ
ジタル信号処理装置（ＤＳＰ）を２つ含むＶＭＥコンパ
チブルプリント回路基板である。デジタル信号処理にＴ
ＭＳ３２０Ｃ３０のようなＤＳＰチップを使用すること
は当該技術では良く知られている。システム制御装置８
２は集積ＳＣＳＩ，ビデオ及び直列データの各インタフ
ェースを含むＶＭＥコンパチブル６８０３０回路基板で
ある。
【００２１】次に、三次元測定走査システム１０の構成
要素をその設計の面から説明する。本発明の好ましい実
施例においては、変換器アレイ１４と、送信器１２と、
受信器１６は標準のソナー構成要素である。能動ソナー
に適用する場合、送信器と、受信器と、変換器アレイを
使用することは当該技術では良く知らているので、ここ
では詳細に説明しない。ただし、本発明のシステムには
考察を要するいくつかの面がある。変換器アレイ１４に
採用するために選択される幾何学形状は、所望の音響ビ
ームの特性との関連によって決まる。ビームの特性は、
主に、音響アレイの寸法と、音響中心の離間とによって
決まる。音響中心は個々の変換器素子により形成される
か、又は複数群の素子を加算することにより形成され
る。これがどのようにして実行されるかは動作周波数
と、所望の有効範囲の立体角によって決まる。音響中心
は個々の変換器素子２０により形成されるか、又は複数
群の素子２０を加算することにより形成される。これが
どのようにして実行されるかは動作周波数と、所望の有
効範囲の立体角によって決まる。
【００２２】半球形有効範囲（いずれかの方向にアレイ
の平面に対する垂線から９０度までの範囲で離れてい
る）が望まれる場合、音響中心の離間は動作周波数にお
いて一波長の二分の一より短くなければならない。これ
により、センサ間に所定の電気的位相差を発生しうるの
は唯一つのオフセット角に限定される。間隔が二分の一
波長より長いと、オフセット角が大きくなり且つ電気的
位相差が増すにつれて、最終的には電気的位相差が１８
０度を越えるような角度に達し、そこであいまいさが導
入される（たとえば、＋１８１度を−１７９度と区別す
ることは不可能である）。素子又は素子群のビームパタ
ーンをそれがあいまいさの方向に十分な感度を示さない
ように制約するならば（細いビーム）、この二分の一波
長という原則を破るという事態を免れることができる。
そこで、システムは真の方向が±１８０電気角に対応す
る機械的オフセット角の限界の中にあると正しく仮定す
ることができる。
【００２３】図５は、音響中心がどのようにして形成さ
れるかの例を示す。同図ａの場合、音響中心は個々の素
子２０により形成され、個々のビームパターンは半球形
有効範囲に近づく。これは、広い円錐形領域にわたり約
９０度の有効範囲を与える障害物回避ソナーシステムの
一部である。従って、素子の離間は二分の一波長より短
い。同図ｂは、数多くの個々に水平方向にずれている変
換器素子２０をアナログ加算器５８を使用して加算し、
２つの音響中心６０及び６２のそれぞれを中心とする約
１度の有効範囲をもつ非常に細い水平方向ビームパター
ンを形成するような変換器アレイ１４の例を示す。２つ
の水平方向にずれた音響中心６０及び６２は５波長だけ
離間しており、同じ変換器素子２０のうちの多くを共用
する。水平ビームが細いため、システムは、全ての戻り
がビーム内にある方向からのものであり、あいまいな方
向の１つから来たのではないと想定することができる。
同図ｃは、ｂに示す変換器素子２０のアレイの２つが垂
直方向に約一波長だけ離間している変換器アレイ１４の
１例を示す図である。垂直方向の開き（面の寸法）は素
子１つ分の開きであるので、垂直のビームパターンはか
なり広い。従って、垂直方向に位置がずれた中心の離間
はそれに対応して狭くなる。同様に、音響中心とビーム
パターンの離間はあいまいさに対する識別として協調さ
れる。
【００２４】好ましい実施例では、変換器素子２０は縦
振動子である。素子の数が少ない適用用途においては、
コスト面とその複雑さを考慮して、縦振動子を使用す
る。ところが、この用途では、コストと複雑さは効率の
向上によって相殺される。本発明の別の実施例によれ
ば、変換器アレイ１４は正方形の構成となるように配置
される４つの縦振動子のアレイであり、その正方形の辺
は水平と垂直の平面にある。さらに別の実施例では、変
換器アレイ１４はマトリクス形に配置されるＭ×Ｎ個の
縦振動子のアレイであり、そのマトリクスの辺は水平と
垂直の平面にある。この場合、振動子を個別の素子２０
として取扱われても良く、あるいは、先に説明したよう
に統括して、より小さな音響中心のサブセットを形成し
ても良い。これは、正確さと、処理の複雑さ及びコスト
面の不利との妥協点である。
【００２５】受信器１６の好ましい動作を図６に示す。
好ましい実施例では、受信器１６は直列データ線３５に
よりプロセッサ１８に接続している。多くの副走査ソナ
ーに典型的に見られることではあるが、単一のデータ線
を介して様々に異なる搬送周波数を使用して受信器１６
とプロセッサ１８との間で全二重通信を実行するため
に、分周多重化を利用する。これを実現するために、受
信器１６からプロセッサ１８へ送信すべきデータはクロ
ックとデータを組合せるためのマンチェスターコード化
データである。その結果得られる信号を使用して、プロ
セッサ１８へ送信すべき搬送波を周波数変調する。一
方、データ転送速度が遅いため、プロセッサ１８から受
信器１６へ送信される指令は周波数変位方式を使用して
相対的に低速で送信される。
【００２６】図６に示す通り、通信インタフェース４０
は、電力を受取ると、ステップ１００でプロセッサ１８
との通信をセットアップする。次に、プロセッサ１８へ
後方散乱データ及び他のセンサデータの規則的な流れを
送信し始める。１０２では、Ｔ０信号と関連するデータ
語をプロセッサ１８へ送信する。１０４では、サンプル
値後方散乱信号と関連する語を受信器１６へ送信する。
１０６では、Ｎ番目の後方散乱信号語を送信したか否か
について検査を実行する。送信されていなければ、制御
は１０４に戻り、別の後方散乱信号語を送信する。送信
されていれば、１０８で、ピッチ、ロールなどのパラメ
ータを含むセンサデータ語を送信する。好ましい実施例
では、１０個の後方散乱語の後に１つのセンサデータ語
が続く。１１０では、Ｔ０信号を検出したか否かについ
て検査を実行する。検出していれば、制御は１０２に戻
り、新たなＴ０信号語を送信する。検出していなけれ
ば、制御は１０４に戻り、後方散乱語とセンサデータ語
の新たなシーケンスを送信する。
【００２７】好ましい実施例においては、送信器１２
と、変換器アレイ１４と、受信器１６は３５Khz の音響
信号によって動作するように設計されている。その実施
例では、低減フィルタ３４は７０Khz の折点周波数を有
するように設計され、サンプル・ホールド回路３６とＡ
／Ｄ回路３８は２８０Khz で後方散乱信号をサンプリン
グするように設計されている。これによって得られたサ
ンプル値後方散乱データをプロセッサ１８へ送信して、
信号を処理し、ヒストグラムを作成する。
【００２８】次に、典型的な後方散乱ヒストグラムの作
成を説明する。後方散乱ヒストグラムの作成を目指す第
１のステップは、通常、サンプル値後方散乱信号の到来
角の計算である。到来角はボアサイトから測定されるの
であるが、このボアサイトは、通常、変換器アレイ１４
の面の平面に対して垂直な線である。後方散乱信号の到
来角を測定するために微分位相測定を利用する場合を図
７ａに二次元で示してある。図７ａに示すように、後方
散乱信号は変換器アレイ１４の素子２０．１及び２０．
２に到達している。ボアサイトとは異なる角度で素子２
０．１及び２０．２に到達する信号は、より遠い素子２
０．２まで余分に進んでゆく間に、幾分かの位相ずれを
受ける。この位相ずれを同図ｂに示す。ｂには、素子２
０．１が発生する電気信号と素子２０．２が発生する電
気信号との間に位相ずれが存在するものとして示されて
いる。後方散乱信号の到来角を次のように計算すること
ができる： Sin （到来角）＝（Ｃ／Ｆ*Ｄ）×（位相ずれ角度／３
６０度） 式中、Ｃ＝音速 Ｄ＝素子間隔、及び Ｆ＝信号周波数
【００２９】位相ずれ角度は、帯域制限後方散乱データ
を同相（Ｉ）分及び直角（Ｑ）分に変換することにより
計算される。次に、それらの成分を下記の式を使用して
大きさと位相に変換する： 大きさ＝平方根（Ｉ2＋Ｑ2） 位相＝tan-1（Ｑ／Ｉ） この変換は、受信器チャネル２７のそれぞれから得たデ
ータについて別個に実行される。続いて、チャネル２７
ごとの大きさを加算し、後の利用に備えて記憶する。計
算した位相角を減算して、先の位相ずれを求める。上記
のケースでは、素子２０．１と関連する位相から素子２
０．２と関連する位相を減算する。
【００３０】好ましい実施例においては、３つの素子２
０．１から２０．３を使用して、到来角を方位角及び仰
角として三次元で計算する。方位角は、素子２０．２と
素子２０．３との位相ずれを検出することにより計算さ
れる位相ずれ角度を使用して先に説明したように計算さ
れる。仰角は、素子２０．２及び２０．３を加算して２
０．１の直下の音響中心を形成することにより計算され
る。次に、先に説明したようにして位相ずれを計算す
る。これらの演算を実行するのは計算部７２である。別
の実施例によれば、ターゲットまでの距離と、到来角
と、大きさを当該技術で知られているアナログ回路を介
して確定することができる。
【００３１】図８は、上記の計算から得られる典型的な
球座標を示す。三次元測定走査システム１０の分解能を
規定する上で距離が非常に重要であることがわかる。音
響信号の経路を、一連の互いに重なり合う球面シェル１
２０を通過する波とみなすことができる。波がそれぞれ
の無限に薄いシェルを通過してゆく間に多数のサンプル
を取出すのであれば、それにより得られるヒストグラム
は最高の分解能を示す画像となる。実ワールドシステム
では、ピンパルス幅を狭く保持するか、又はチャープな
どの高時間／帯域幅乗積信号を使用するインパルス等価
相関関数を利用することにより、これを近似することが
できる。
【００３２】次に、後方散乱信号から計算した方位角と
仰角を球面更新部７４で修正して、無限に安定した変換
器アレイプラットフォームにおいて測定した到来角を近
似する。次に、修正した方位角と仰角を距離と組合せ
て、デカルトマッピング部７６でデカルト座標に変換す
る。その結果を使用して、図９に示すような格子化ヒス
トグラム画素のテーブルをアドレス指定する。格子画素
１３０の中のいずれかの点へトレースされる後方散乱信
号は画素１３０の中心から来たものと仮定する。ところ
が、先に計算したような微分位相ずれからボリュウーム
中の１点を確定すると、その点を音響化するために使用
されるビーム幅よりはるかに高い分解能が得られるの
で、その仮定が及ぼす影響は無視できる程度のものであ
る。
【００３３】後方散乱サンプルが格子画素１３０から発
したものとして検出されたならば、その効果は後方散乱
ヒストグラムの中で明らかになっていなければならな
い。格子画素１３０から発した後方散乱信号の分布を図
１０に示す。図１０は、格子画素１３０．１から１３
０．６を示す。後方散乱信号の分布は陰影をつけること
によって表わされており、その中で、格子画素１３０．
３は最も多くの数の後方散乱戻りを発生するソースであ
る。地形マッピングシステムの場合、格子画素１３０．
３は海床の底面である確率が最も高いであろう。後方散
乱事象のヒストグラムを作成する方法の１つは、各事象
をその格子画素１３０と関連している記憶場所の内容を
増分することにより表わすというものである。より有効
な方法である好ましい実施例によれば、計算部７２によ
り計算した大きさをその記憶場所に加える。その結果、
後方散乱信号強度によって重みづけされたヒストグラム
が得られる。この機能は自己回帰格子更新部７８により
実行される。
【００３４】強さが無制限に増大するのを阻止するため
に、後方散乱ヒストグラムと関連する記憶場所の内容に
対して格子更新部７８により減衰アルゴリズムを適用す
る。この減衰アルゴリズムは、各格子画素１３０の中に
入っているデータの活動記録を平均化するプロセスであ
る。それぞれの画素１３０について別個の平均化プロセ
スを実行する。このプロセスの間には、異なる画素から
データが混ざり合ってしまうことはない。プロセスは最
も近い時点の入力に最大の重みを与えるのが好ましい。
このプロセスを定義する好ましい差分方程式は次の通り
である。
【００３５】Ｄｆ（ｎ）−（１−Ａ）ｘＤｆ（ｎ−１）
＋ＡｘＤｕ（ｎ） 式中、 Ｄｆ（ｎ）＝フィルタリング済データのｎ番目（最も近
い時点）のサンプル Ｄｆ（ｎ−１）＝フィルタリング済データの（ｎ−１）
番目の（前）サンプル Ｄｕ（ｎ）＝画素に対するフィルタリング前の入力デー
タの（最も近い時点の）サンプル Ａ＝新たなフィルタリング前入力データに割当てられる
重み係数（Ｏ＜Ａ＜１） 通常、各ピンの後にはそのたびに新たなＤｆ（ｎ）を計
算する。ピンサイクル中に画素の中に非ゼロデータが入
らない場合には、Ｄｕ（ｎ）＝０であり、Ｄｆ（ｎ）は
消え始まる。Ｄｕ（ｎ）＝０であるピンが数多く連続し
て起こると、Ｄｆ（ｎ）は自動的に０に近づく。逆に、
Ｄｕ（ｎ）＝Ｌ（何らかの任意レベル）であるピンが数
多く連続して起これば、Ｄｆ（ｎ）は漸近的にＬに近づ
く。好ましい実施例では、Ａの値は０．１から０．３の
範囲にある。
【００３６】好ましい実施例においては、現在後方散乱
ヒストグラムをＤＳＰカード９２の局所メモリに保持す
る。変換器アレイ１４が音響化したボリュームを通って
動くにつれて、アレイ１４の後に出たボリュームからの
格子画素１３０を不揮発性メモリ８４に記憶する。そこ
で、それらの格子画素１３０と関連する記憶場所を変換
器アレイ１４に先立つ新しい格子画素１３０として使用
することができる状態となる。
【００３７】次に、本発明の三次元測定走査方式を地形
マッピングに適用する画像処理アプリケーションについ
て説明する。画像処理を実行するのは画像処理部８０で
ある。好ましい実施例では、それらの計算はＤＳＰカー
ド９６において実行される。必要に応じてＤＳＰカード
９２からヒストグラムデータを取出し、一連の計算を実
行する。その結果得られた画像をシステム制御装置８２
へ転送し、そこで、オペレータの判断に従って画像を表
示するか又は記憶することができる。画素格子は多数の
三次元格子画素１３０の列から構成されており、その大
きさの和はその画素１３０と関連するボリュームから受
信した信号のレベルに比例して累積する。和は定数サン
プリングプロセスを経て絶えず補充される。また、和は
先に述べた減衰アルゴリズムによって減衰される。地形
マッピング方式の目的は、単一のボリューム画素列によ
って提示するときに正しい地形レベル表示を認識すると
共に、確定的でないデータを拒否することである。後方
散乱ヒストグラムの１つの画素１３０の列についての大
きさの和は、数列Ａと呼ばれる一連の不連続な全数によ
り、任意の時点で上から下へ表示される。数列Ａの長さ
はＮである。好ましい実施例では、それぞれ個々の列数
列について次のようないくつかの試験を実行する。
【００３８】試験１。単調ピーク：数列Ａの数の値がそ
の数列の単一の最大数の両側で単調に減少する場合、そ
の単一の最大数の画素により表示されるボリューム画素
を地形レベルとして指定する。この条件が存在していな
ければ、乱されない数列Ａに次の試験を実行する。 試験２。基準化移動平均単調ピーク：Ｋは（０．５）Ｎ
以下である最大の奇数である。各平均和を形成するため
にＫ個の数を使用して移動平均を実行することにより、
新たな数列Ｂを形成する。従って、新たな数列Ｂにおけ
る第１の数は、数列Ａの初めのＫ個の数の平均である。
第２の数は数列Ａの位置２からＫ＋１までの数の平均で
あり、以下も同様である。最後の数は数列Ａの終わりの
Ｋ個の数の平均である。新たな数列Ｂは数列ＡよりＫ−
１個少ない数を有する。数列中のそれぞれの数は列の中
の１つの特定のボリューム画素１３０と一致するので、
これは好都合ではない。この状況を修正するために、処
理部８０は数列Ｂの各端部に（Ｋ−１）／２個の０を追
加する。これにより、数列Ａの中の数と数列Ｂの中の数
とに１対１の対応が成立する。そこで、画像処理部８０
は先に試験１で説明した単調ピーク試験に戻って、地形
レベルを確定する。単調条件が存在しなければ、列デー
タを不確定として拒否し、処理部８０は次の列へ移行し
て処理を続ける。
【００３９】この時点で、それぞれが三次元格子の各列
の中の単調ピークの位置を表わしている値のマトリクス
を検査することにより地形を確定できる。空白の格子位
置（不確定列データのために空白になっている）は、最
も近い２つの格子位置の間で補間した値によって充填さ
れる。地形マッピングアルゴリズムの出力は、通常、関
心領域を覆う理論上の格子床から見た地形の高度を表わ
す値のマトリクスである。さらに、通常は地形信頼レベ
ルを出力するのであるが、その値は（補間に先立った）
有効地形レベルを含む列の数と、格子中の列の総数との
比である。
【００４０】画像処理部８０が計算する代表的な地形マ
ップを図１１に示す。図１０は、後方散乱統計を前述の
地形マップに変換するマップによって確定された地形レ
ベル画素１３２を示す三次元領域の図形表示である。そ
の結果得られる地形マップは自走性乗物を誘導するため
に使用されても良く、あるいは、乗物の場所を確定する
際の助けとして使用されても良い。別の実施例では、地
形マッピングアルゴリズムの実現に先立って、後方散乱
ヒストグラムを構成する画素１３０について平滑化アル
ゴリズム又は平均化アルゴリズムを実行する。平滑化ア
ルゴリズムは「最近接要素三次元平均化」から構成さ
れ、たとえば、大きさの和の新たな値がそれに最も近い
周囲の６個（辺のみ）又は２６個（辺と角）の隣接要素
の平均となる。
【００４１】次に、三次元測定走査システムの別の実施
例を説明する。送信器１２、変換器アレイ１４及び受信
器１６の別の実施例を図１２に示す。この実施例では、
９つの変換器素子５０を３×３マトリクスの構成で配置
している。素子５０．１，５０．２，５０．４及び５
０．５は第１の音響中心５２．１を形成するように接続
し、素子５０．２，５０．３，５０．５及び５０．６は
第２の音響中心５２．２を形成するように接続し、素子
５０．４，５０．５，５０．７及び５０．８は第３の音
響中心５２．３を形成するように接続し、素子５０．
５，５０．６，５０．８及び５０．９は第４の音響中心
５２．４を形成するように接続している。後方散乱信号
をプロセッサ１８へ送り出す前にデジタル表示に変換す
るために、４つの受信器チャネル２７が設けられてい
る。この実施例では、素子５０は圧電原理に基づいて動
作するセラミック素子である。そのため、複数の素子に
よってコンパクトな変換器アレイを構成することができ
る。
【００４２】図１２の変換器アレイ１４の４つの音響中
心５２．１から５２．４は過確定システムを構成する。
これは、音響中心５２のうちいずれか３つを使用して到
来角を計算できるためである。従って、４つの候補到来
角を提供することが可能である。到来角を近似するため
に最小２乗アルゴリズムを適用することにより、妥当な
解決方法が得られる。そのようなシステムは、音響中心
が３つの変換器アレイと比べて、雑音が存在する場合に
より高い能力をもって動作するはずである。ただし、そ
のようなシステムはより複雑になる。
【００４３】本発明のさらに別の実施例を図１３に示
す。この実施例では、音響信号を個別に送信するために
送信器１２にプロジェクタ１４０が追加されている。入
力回路１４２は保護回路２８と、前置増幅器３０と、時
変利得増幅器３２とを含む。好ましい実施例の低減フィ
ルタ３４の代わりに、３５Khz を中心周波数とする１６
Khz 帯域フィルタ１４４を使用している。また、サンプ
ル・ホールド回路３６の代わりに２つのサンプル・ホー
ルド回路１４６及び１４８が設けられている。サンプル
・ホールド回路１４６及び１４８は３５Khz で９０度の
位相外れをもってサンプリングして、アナログＩ信号及
びアナログＱ信号を供給する。Ａ／Ｄ回路３８の代わり
に、チャネルごとにＩ及びＱを同じ３５Khz の速度でデ
ジタル信号に変換するＡ／Ｄ回路１５０及び１５２を使
用している。この実施例では、複雑な復調機能を同期サ
ンプリングプロセスの固有の一部分としてアナログ領域
で実行するので、プロセッサ１８はそのような機能を実
行する必要がない。
【００４４】図１３の方式はプロセッサ１８に課される
処理要求を軽減する一方で、サンプリングプロセスの複
雑さを増す。次に、２つ以上の三次元測定走査システム
を使用する場合について説明する。図１４は、複数の三
次元測定走査ソナーシステムを具備する三次元測定イメ
ージングソナーシステム１５８を示す。前向き三次元測
定スキャナ１６０はその前方に位置するボリュームを、
かなり広角の円錐形ビームによって音響化する。２つの
横向きスキャナ１６２はそれより細いが、距離の長いビ
ームによって音響化する。このシステム１５８を取囲む
ボリュームについて、大きな後方散乱ホログラムが描か
れる。
【００４５】多重スキャナイメージングシステムの好ま
しい実施例においては、プロセッサは、先に図２及び図
３の単一受信器システムについて説明したのと同じよう
に、スキャナ１６０及び１６２の受信器から大きさ及び
到来角などの後方散乱データを受信する。プロセッサ
は、それぞれの受信器から受信したデータを単一の後方
散乱ヒストグラムに適用することにより後方散乱ヒスト
グラムを形成する。過確定システムについて最小２乗当
てはめなどの最適化方式を適用することにより、あいま
いさを解決する。この実施例では、後方散乱データにお
けるあいまいさの解決を使用して、ボリュームのシステ
ムが重なり合う部分における分解能を向上させることが
できる。これは、過確定システムについて最小２乗当て
はめなどの最適化方式を適用することにより可能にな
る。
【００４６】図１５及び図１６は、三次元測定走査ソナ
ーシステム１５８によって可能である走査を示す。図１
５は、前向きスキャナ１６０によって可能な地形マッピ
ングを示す。図１６は、横向きスキャナ１６２の一方に
よって可能な地形マッピングを示す。スキャナ１６０及
びスキャナ１６２により発生されるビームのビーム幅と
ビームの重なりは、重なりを大きくすることにより分解
能を向上させるか、又はより長い距離で音響化するため
にビームを細くすることにより距離を長くするように設
定できる。図１４のシステムの別の実施例では、三次元
領域の三次元モデルをスキャナ１６０及び１６２のそれ
ぞれにより形成する。次に、それらのモデルを組合わせ
て、ソナービークルを取囲んでいるボリュームの単一の
三次元モデルを作成する。図１４のシステムのさらに別
の実施例においては、スキャナ１６０がスキャナ１６２
とは異なる周波数で動作する場合、分解能を向上させる
ことと、地形資料の識別などの事項が可能である。
【００４７】本発明の好ましい実施例についての以上の
説明は例示と解説を目的として提示されたものであり、
それに欠けるところがないと考えるべきではなく、ま
た、それは本発明を開示した厳密な形態に限定すること
でない。上記の教示に照らして数多くの変形や変更が可
能である。本発明の範囲は以上の詳細な説明により限定
されるのではなく、特許請求の範囲により限定されるも
のとする。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明と互換性をもつ三次元測定走査ソナーシ
ステムの主な構成要素を示す図。
【図２】本発明と互換性をもつ三次元測定走査ソナーシ
ステムの機能ブロック線図。
【図３】本発明と互換性をもつ三次元測定走査ソナーシ
ステムの機能ブロック線図。
【図４】本発明と互換性をもつプロセッサの好ましい実
施例の回路基板レベルの線図。
【図５】本発明と互換性をもつ変換器アレイの図表表
示。
【図６】後方散乱信号の獲得中に受信器で実行する典型
的なステップを表わすフローチャート。
【図７】受信器アレイの素子の中の２つに到達する後方
散乱信号の典型的な図表表示と後方散乱信号が１つの素
子に到着してから隣接する素子に到達するまでの位相ず
れの典型的な図表表示。
【図８】本発明と互換性をもつ球座標系の典型的な図表
表示。
【図９】後方散乱信号を後方散乱ヒストグラムに導入す
るために使用される座標系の典型的な図表表示。
【図１０】１つの画素列における後方散乱戻りの分布の
典型的な図表表示。
【図１１】後方散乱統計を地形マップに変換するプロセ
スから確定される水のボリュームの床面として指定され
た画素を示す三次元領域の典型的な図表表示。
【図１２】本発明と互換性をもつ変換器及び受信器の別
の実施例を示す機能ブロック線図。
【図１３】本発明と互換性をもつ送信器、変換器アレイ
及び送信器を示す機能ブロック線図。
【図１４】複数の三次元測定走査ソナーシステムを具備
する好ましい三次元イメージングソナーシステムを示す
図。
【図１５】図１３のシステムにおいて前向きボリューム
イメージングに使用される三次元測定走査ソナーシステ
ムを示す図。
【図１６】図１３のシステムにおいて横向きボリューム
イメージングに使用される三次元測定走査ソナーシステ
ムを示す図。
【符号の説明】
１０ 三次元測定走査ソナーシステム １２ 送信器 １４ 変換器アレイ １６ 受信器 １８ プロセッサ
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 スティーブン・ジェイ・センダー アメリカ合衆国 98122 ワシントン州・ シアトル・38ティエイチ アヴェニュ・ 1536 (72)発明者 ジェイムズ・エル・ロバーツ アメリカ合衆国 98103 ワシントン州・ シアトル・ノース 70ティエイチ ストリ ート・517 (72)発明者 ジョン・ディ・シュラッター アメリカ合衆国 98020 ワシントン州・ エドモンズ・101エスティ プレイス ウ エスト・23806

Claims (23)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 三次元測定領域の画像を形成するソナー
    システムにおいて、 三次元測定領域を音響信号によって音響化する送信手段
    と；三次元測定領域内部にある構造物から反射される後
    方散乱音響信号を受信し、その後方散乱音響信号に対応
    する電気信号を発生する複数の素子を含み、それらの素
    子は、少なくとも２つの素子が受信器手段のボアサイト
    に対して第１の方向に離間し且つ少なくとも２つの素子
    がボアサイトに対して第２の方向に離間するように配置
    されている受信器手段と；送信手段からの音響信号の送
    信と、受信器手段での反射後方散乱信号の受信との間の
    時間遅延を表すタイミングデータを生成する手段と；反
    射後方散乱信号の精度を高めるプロセッサ手段を具備
    し、前記プロセッサ手段は、 第１の方向に離間している２つの素子が受信した後方散
    乱信号に対応する電気信号の微分位相測定値の関数とし
    て、後方散乱信号の到来角と、第１の方向に離間してい
    る素子に対して横方向に向いた第１の基準平面とが成す
    角度を表す第１の角度データを生成する手段と、 第２の方向に離間している２つの素子が受信した後方散
    乱信号に対応する電気信号の微分位相測定値の関数とし
    て、後方散乱信号の到来角と、第２の方向に離間してい
    る素子に対して横方向に向いた第２の基準平面とが成す
    角度を表す第２の角度データを生成する手段とを含むソ
    ナーシステム。
  2. 【請求項２】 送信手段は、ある１つの時点で三次元測
    定領域の一部のみが音響化されるように細いビームを発
    生する送信ビーム整形手段を含み、また、受信器手段
    は、受信器手段が三次元測定領域のその特定の一部分か
    らの後方散乱データのみを処理するように送信ビーム整
    形手段に結合する受信器ビーム整形手段を含む請求項１
    記載のソナーシステム。
  3. 【請求項３】 プロセッサ手段は、反射後方散乱信号の
    振幅の関数として大きさデータを生成する手段をさらに
    含む請求項１記載のソナーシステム。
  4. 【請求項４】 プロセッサ手段は、三次元測定領域内部
    の構造物と関連する１つの点を表す画素の場所を、反射
    後方散乱信号と関連するタイミングデータ、第１の角度
    及び第２の角度の関数として確定する画素位置規定手段
    をさらに含む請求項１記載のソナーシステム。
  5. 【請求項５】 プロセッサ手段は、反射後方散乱信号の
    振幅の関数として大きさデータを生成する手段と、その
    大きさデータの関数として画素に対する調整を計算する
    画素調整手段とをさらに含む請求項４記載のソナーシス
    テム。
  6. 【請求項６】 受信器手段の全ての素子は同一の平面に
    ある請求項１記載のソナーシステム。
  7. 【請求項７】 第１の基準平面は受信器手段の素子の平
    面に対して垂直であり、第２の基準平面は受信器手段の
    素子の平面と、第１の基準平面の双方に対して垂直であ
    る請求項６記載のソナーシステム。
  8. 【請求項８】 複数の素子は３つの素子を含み、そのう
    ち２つの素子は互いに垂直方向に位置がずれており、２
    つの素子は互いに水平方向に位置がずれている請求項６
    記載のソナーシステム。
  9. 【請求項９】 複数の素子は三角形のそれぞれの角に配
    置される３つの素子を含む請求項６記載のソナーシステ
    ム。
  10. 【請求項１０】 複数の素子はＮ×Ｍマトリクスの形に
    配列し且つ４つの音響中心を形成するように接続してい
    る請求項６記載のソナーシステム。
  11. 【請求項１１】 受信器手段における素子の数は少なく
    とも４つであり、プロセッサ手段は、反射後方散乱信号
    の到来角を確定するに際しての不確かさを除去する手段
    をさらに含む請求項１記載のソナーシステム。
  12. 【請求項１２】 三次元測定領域の画像を形成する地形
    マッピングソナーシステムにおいて、 第１及び第２の三次元測定走査システムと；この第１及
    び第２の三次元測定走査システムに接続し、それらの走
    査システムから受信した情報を処理し、その情報を処理
    して三次元測定領域の三次元モデルを形成するシステム
    プロセッサ手段とを具備し、 各走査システムは、 三次元測定領域を音響信号によって音響化する送信手段
    と；三次元測定領域内部にある構造物から反射される後
    方散乱音響信号を受信し、反射後方散乱信号に対応する
    電気信号を発生する複数の素子を含む受信器手段と；後
    方散乱処理手段とを含み、 前記後方散乱処理手段は、 送信手段からの音響信号の送信と、受信器手段での関連
    する反射後方散乱信号の受信との間の時間遅延を表すタ
    イミングデータを生成する手段と、 後方散乱信号の到来角を規定する第１の角度及び第２の
    角度を微分位相測定を経て確定する指向性手段と、 構造物までの距離を計算する距離確定手段とを含む後方
    散乱処理手段とを含むソナーシステム。
  13. 【請求項１３】 それぞれの後方散乱処理手段は、後方
    散乱信号を反射させた三次元測定領域内部の点の画素表
    示と関連するメモリ中の記憶場所を各後方散乱信号の距
    離及び到来角の関数として確定する画素位置規定手段を
    さらに含む請求項１２記載のソナーシステム。
  14. 【請求項１４】 それぞれの後方散乱処理手段は、後方
    散乱信号データのヒストグラムを地形マップに変換する
    地形マッピング手段をさらに含む請求項１３記載のソナ
    ーシステム。
  15. 【請求項１５】 システムプロセッサ手段は、第１の三
    次元測定スキャナが生成した地形マップと、第２の三次
    元測定スキャナが生成した地形マップとの間であいまい
    さを分解するあいまいさ分解手段を含む請求項１４記載
    のソナーシステム。
  16. 【請求項１６】 システムプロセッサ手段は、第１及び
    第２の三次元測定走査システムから後方散乱信号と関連
    する距離及び到来角のデータを受信する通信インタフェ
    ース手段と、後方散乱信号を反射させた三次元測定領域
    内部の点の画素表示と関連するメモリ中の記憶場所を距
    離、到来角及び走査システムの関数として確定する画素
    位置規定手段とを含む請求項１２記載のソナーシステ
    ム。
  17. 【請求項１７】 三次元測定イメージングソナーによっ
    て地形をマッピングする方法において、 三次元測定領域を複数の等しい大きさの立方体に分割す
    る過程と；それぞれ１つの立方体により境界を限定され
    るボリュームから到来した音響後方散乱信号が検出され
    るたびに、その立方体と関連する個別の記憶場所に記録
    することにより、後方散乱データのヒストグラムを作成
    する過程と；各ランク及び列で地形床面である確率が最
    も高い立方体を確定する過程と；地形マップを形成する
    ために、地形床面である確率が最も高い立方体を接続し
    てゆく過程とから成る方法。
  18. 【請求項１８】 後方散乱データのヒストグラムを作成
    する過程は、立方体の中の１つと関連する記憶場所に第
    １の値を加算することを含み、その第１の値はその立方
    体から受信した後方散乱信号の振幅の関数である請求項
    １７記載の方法。
  19. 【請求項１９】 後方散乱データのヒストグラムを作成
    する過程は、より近い時点の後方散乱データの影響を増
    大させるようにそれぞれの記憶場所に記憶されているデ
    ータの大きさを所定の速度で減少させてゆくことを含む
    請求項１７記載の方法。
  20. 【請求項２０】 各ランク及び列で地形床面である確率
    が最も高い立方体を確定する過程は、最大の大きさをも
    つ記憶場所を見出すために１つのランク及び列と関連す
    る記憶場所を探索することを含む請求項１７記載の方
    法。
  21. 【請求項２１】 立方体を接続してゆく過程は、地形マ
    ップを形成するために地形床面である確率が最も高い立
    方体として指定された立方体と関連する信頼レベルを計
    算することと、信頼閾値に適合しない立方体を放棄する
    ことと、地形マップを形成するために、信頼閾値に適合
    する立方体に１つの曲線を当てはめることを含む請求項
    １７記載の方法。
  22. 【請求項２２】 三次元測定領域の地形マップを形成す
    るように後方散乱データを収集する方法において、 三次元測定領域を複数の範囲に分割する過程と；三次元
    測定領域を音響化する過程と；三次元測定領域の音響化
    の結果として得られる後方散乱信号を捕獲する過程と；
    それぞれ特定の範囲について最大の大きさをもつ後方散
    乱信号の大きさ、距離及び到来角を確定する過程と；三
    次元測定領域を複数の等しい大きさの立方体に分割する
    過程と；各範囲の中で最大の大きさをもつ後方散乱信号
    の到来角と関連する点立方体の場所を確定する過程と；
    その点立方体と関連する記憶場所の内容にある値を加算
    する過程とから成り、 三次元測定領域の地形マップを作成するのに有用である
    後方散乱データのヒストグラムを三次元測定領域の連続
    音響化により形成することができる方法。
  23. 【請求項２３】 後方散乱データを収集する方法は、よ
    り近い時点の後方散乱データの影響を増大させるよう
    に、音響化と音響化との間に各立方体と関連する記憶場
    所の内容と減衰係数とを乗算する過程をさらに含む請求
    項２２記載の方法。
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