JPH0659028A - 水中探知装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 水中探知装置において短時間の内に水中の三
次元的な探知情報が得られるようにするとともに、画像
の欠落や偽像の発生が起こらないようにする。 【構成】 超音波送受波点を中心とした全周にわたり、
かつ、所定のティルト角を中心として幅広の平坦な指向
特性をもつ送波ビームを形成する送波ビーム形成手段１
８と、送波ビームよりも指向特性の鋭い受波ビームを形
成する受波ビーム形成手段１７と、送波ビームの発射周
期内において、この送波ビームの範囲内で受波ビームを
水平方向に複数回旋回走査してからティルト角を変更す
る動作を繰り返す指向方向制御手段３３とを備える。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、水中の魚群等の三次元
分布の探知を行うことができる水中探知装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】広範囲方向の水中情報を得るための水中
探知装置、たとえばスキャンニングソナーでは、多数の
振動子を積層して１つの振動子ブロックとし、この振動
子ブロックを円環状に配列してなる全周旋回型の送受波
器を有しており、これらの各振動子を同時に励振駆動し
て水中の全周方向に超音波ビームを発射する一方、その
反射波を尖鋭な指向性を有する受波ビームを旋回走査し
て水中探知を行う。

【０００３】この場合、図７に示すように、受波ビーム
Ｂrを水平面から所定角度だけ傾けて走査するためにテ
ィルト角θが設定されている。このティルト角θは、従
来装置では、１回の超音波の送受波中は固定されたまま
であって、途中で変更されることはない。したがって、
受波ビームＢrを１周させた場合の探知範囲は、超音波
送受波点pを頂点とした円錐面に対応した範囲となる。
そのため、魚群a₀が存在する場合の探知情報は、図８に
示すように、受波ビームＢrが走査される円錐面で切断
した切り口a₁となる。これは広い方位角の範囲で信号強
度が一定の幅広の指向特性をもった超音波ビームを送信
する場合においても同じである。

【０００４】このような平面的に限られた範囲の探知情
報a₁では、魚群a₀の三次元的な分布を十分に把握するこ
とができない。

【０００５】また、受波ビームＢrが走査される円錐面
から外れた位置にある魚群b₀等は、探知することができ
ない。

【０００６】そこで、上記の不都合を改善するために、
従来技術では、複数回にわたって超音波の送受波を行
い、各々１回の超音波の送受波が終了するたびに、ティ
ルト角θを少しずつ変化させることにより、三次元の探
知情報を得るようにした装置も提案されている。

【０００７】しかし、従来装置において三次元的な探知
情報を得るためには、超音波の送受信を何回も繰り返す
必要があり、情報採取のために長時間を要する。たとえ
ば、ティルト角を０°〜４０°の範囲で５°きざみで変
化させる場合には、９回の超音波の送受信の時間が必要
となる。

【０００８】すると、図７に示すように、水中を早い速
度で移動する魚c₀などは、超音波の送受波を繰り返す間
に、探知範囲から遥かに離れ去ってしまい、これらの魚
群の移動を捕捉することができない。

【０００９】これに対して、送信、受信のいずれにおい
ても超音波ビームが幅広の指向特性をもつようにすれ
ば、図７の各魚a₀〜c₀を捕捉することができる。

【００１０】しかしながら、送信、受信のいずれにおい
ても超音波ビームに幅広の指向特性をもたすと、ある距
離以上では魚群からのエコーよりも強度の大きい海底エ
コーも同時に受信され、その結果、海底エコーに魚群エ
コーがマスクされてしまい、魚群を捕捉することができ
なくなる。

【００１１】上記のような不都合を解消するため、本出
願人は、特願平３−４９４５９号に開示したように、幅
広の指向特性をもつ超音波ビームを送波し、その反射波
を受波する際に、幅狭の指向特性をもつ受波ビームのテ
ィルト角と旋回走査とを時分割で交互に切り換えること
により、短時間の内に水中の三次元の探知情報を得るよ
うにした水中探知装置を提供した。

【００１２】すなわち、この装置では、超音波送受波点
を中心とした全周にわたり、かつ、垂直方向に平坦な指
向特性をもつ送波ビームを所定の周期trでもって発射す
る。そして、図９に示すように、この送波ビームの発射
周期tr内において、受波ビームの旋回走査の回数Ｒに応
じてティルト角θを順次階段状に切り換える。たとえ
ば、旋回走査回数がＲiでは、ティルト角としてθiが選
択され、次の旋回走査回数Ｒi₊₁では、ティルト角とし
てθi₊₁が選択される。

【００１３】

【発明が解決しようとする課題】このように、特願平３
−４９４５９号に開示した水中探知装置では、従来装置
に比較して、短時間の内に水中の三次元の探知情報を得
ることができる利点があるが、本出願人らは、更にこの
装置について検討したところ、次の問題が残されている
ことが判明した。

【００１４】すなわち、この水中探知装置では、受波ビ
ームを１回旋回走査するたびにティルト角を変更してい
るが、このティルト角の変更は、現実には瞬時に行うこ
とはできず、ある時定数をもって徐々に変化する。この
ため、受波ビームに基づいて水中状況を画像表示する場
合には、偽像が発生することがある。

【００１５】これを具体的に説明すると、ティルト角を
変更することは、垂直方向に配列された各振動子からの
受信信号に対して位相合成を行う場合において、この受
信信号に加える位相補正信号(キャリア信号)の移相量を
変化させることを意味するが、この位相補正信号(キャ
リア信号)の移相量を変えてから位相合成した後の出力
が安定化するまでには、ある程度時間がかかる。そし
て、この安定化までの期間中においても図１０に示すよ
うに、ティルト角は連続的に推移するため(図中x₁，
x₂，…の範囲)、受波ビームの正確な方位が判明しな
い。たとえば、図１１に示すように、送受波器から直線
距離がr₁，r₂の各位置にある点をＡ，Ｂとしたとき、水
面からの垂直方向の深度h₁，h₂は、 h₁＝r₁sinθ₁ (１) h₂＝r₂sinθ₂ (２) いま、ティルト角をθ₁からθ₂に切り換えた場合に、Ａ
点からＢ点に移行したとし、時間経過を無視すると、r₁
≒r₂と考えることができる。よって、 h₂＝r₂sinθ₂＝r₁sinθ₂ (３) ここで、θ₁，θ₂は０〜π／２の範囲で考えればよいの
で、 θ₁＜θ₁＋Δθ＜θ₂ (ただし、Δθは微小時間Δt内に変化したティルト角)
よって、 sinθ₁＜sin(θ₁＋Δθ)＜sinθ₂ したがって、次式が成立する。

【００１６】 r₁sinθ₁＜r₁sin(θ₁＋Δθ)＜r₁sinθ₂ (４) (１)，(３)式の関係を(４)式に代入すれば、 h₁＜sin(θ₁＋Δθ)＜h₂ (５) つまり、ティルト角をθ₁からθ₂に切り換える場合、計
算上は瞬時に切り換えが行われたものとしてθ₂の値が
使用されるが、現実にはティルト角は移行中のため、真
のティルト角はθ₁＋Δθ(＜θ₂)であり、したがって、
計算上の深度h₂は、真の深度sin(θ₁＋Δθ)よりも深く
算出されてしまう。逆に、ティルト角をθ₂からθ₁に切
り換える場合には、計算上の深度h₁は、真の深度sin(θ
₁＋Δθ)よりも浅く算出されてしまう。その結果、送受
波器で得られる受信信号データを最初の極座標系から画
像表示のために直交座標系に座標変換する際に深度方向
距離が不確定となり、偽像の原因となる。

【００１７】一方、このようなティルト角が不確定な状
態で得られる受信信号データを省けば偽像の発生は無く
なるが、データの欠落により、ティルト角変更に伴う特
定方位については画像表示を行えない等の不具合を生じ
る。

【００１８】

【課題を解決するための手段】本発明は、上述した課題
を解決するためになされたものであって、短時間の内に
三次元の水中探知情報を得るとともに、偽像の発生や画
像の欠落発生を有効に防止できるようにするものであ
る。

【００１９】そのため、本発明では、超音波送受波点を
中心とした全周にわたり、かつ、所定のティルト角を中
心として幅広の平坦な指向特性をもつ送波ビームを形成
する送波ビーム形成手段と、この送波ビームよりも指向
性の鋭い受波ビームを形成する受波ビーム形成手段と、
送波ビームの発射周期内において、この送波ビームの範
囲内で前記受波ビームを水平方向に複数回旋回走査して
から垂直方向のティルト角を変更する動作を繰り返す指
向方向制御手段と、を備えている。

【００２０】

【作用】送波ビーム形成手段は、超音波送受波点を中心
とした全周にわたって、かつ、所定のティルト角を中心
として幅広の平坦な指向特性をもつ送波ビームを形成
し、この送波ビームが水中に送波される。

【００２１】受波ビーム形成手段は、この送波ビームよ
りも指向性の鋭い受波ビームを形成し、指向方向制御手
段は、送波ビームの発射周期内において、この送波ビー
ムの範囲内で受波ビームを水平方向に複数回旋回走査し
てからティルト角を変更する動作を繰り返す。

【００２２】これにより、送波ビームの発射周期内にお
いて、受波ビームの旋回走査とティルト角の変更とが行
なわれて、三次元の探知情報が短時間の内に得られる。
しかも、受波ビームが水平方向に複数回にわたって旋回
走査されてからティルト角が変更されるので、ティルト
角変更時に得られる受信信号データが無効であっても、
再度の旋回走査によってティルト角が確定された状態で
同じ方向のデータが収集されるため、画像の欠落や偽像
の発生が回避される。

【００２３】

【実施例】図１は、本発明の実施例に係る水中探知装置
の構成を示すブロック図である。

【００２４】同図において、符号１は水中探知装置の全
体を示し、２は振動子で、これらの各振動子２が多段に
積層されて１つの振動子ブロック４a〜４nとなり、各振
動子ブロック４a〜４nが円環状に配列されて一つの全周
旋回型の送受波器３が構成されており、この送受波器３
が船底等に取り付けられる。

【００２５】６a〜６nは各々の振動子ブロック４a〜４n
に含まれる各振動子２で得られる受信信号の位相を揃え
る垂直位相合成回路であって、各振動子ブロック４a〜
４nに個別的に対応して設けられている。各々の垂直位
相合成回路６a〜６nは、全て同一の構成であって、たと
えば一つの垂直位相合成回路６aに着目すると、図２に
示すように、各振動子ブロック４aを構成する各振動子
２に個別に接続された前段増幅器８と、各前段増幅器８
から出力される受信信号に後述の移相補正信号発生部３
０からの移相補正信号を混合して各受信信号が同一位相
となるように移相する移相器１０と、これらの移相器１
０で移相された各受信信号を加算する加算器１２とから
なる。

【００２６】１４は水平方向の位相合成を行う対象とな
る１群(本例ではm個)の受信信号を選択するために切り
換え走査される切換回路、１６は切換回路１４で選択さ
れた１群(m個)の受信信号の水平方向の位相を揃えて受
波ビームを形成するための水平位相合成回路である。

【００２７】そして、上記の垂直位相合成回路６a〜６
n、切換回路１４および水平位相合成回路１６によっ
て、特許請求の範囲における受波ビーム形成手段１７が
構成される。

【００２８】１８は各振動子ブロック４a〜４nを構成す
る各振動子２の配列方向に沿ってsinx／x(ただし、x＝
(π・sinθ_BW／２λ)・d・Ｎ、λは搬送周波数信号の波
長、θ_BWは指向特性のビーム幅、dは振動子の配列ピッ
チ、Ｎは振動子の位置)で定まる振幅分布をもつように
重み付けされた超音波送信用の駆動信号を出力する送信
部である。すなわち、この送信部１８は、特許請求の範
囲の送波ビーム形成手段として機能するものであって、
本例では、図３に示すように、後述の制御部３２から出
力される超音波発射のタイミングを決めるトリガ信号
(キーイングパルス)Ｔに応答して所定の搬送周波数(た
とえば２００ＫＨz)のパルス信号を発生する信号発生器
２０と、この信号発生器２０からのパルス信号を移相す
る移相器２２と、各移相器２２の出力を増幅するゲイン
調整可能な増幅器２４とからなる。そして、各移相器２
２は、図４に示すように、各振動子ブロック４a〜４nか
らの超音波の発射方向がα₀／２(α₀は超音波の送波ビ
ーム幅)となるようにその移相量が予め設定されてい
る。これにより、送受波器３から放射される超音波の海
面などの不要な方向では音響エネルギが小さく、必要な
方向では音響エネルギが大きくなる。また、各増幅器２
４の増幅度は、各振動子ブロック４a〜４nごとに、その
振動子２の配列方向に沿ってsinx／xで定まる振幅分布
をもつようにそれぞれ重み付け調整されており、これに
よって、送受波器３からは、垂直方向の一定角度範囲に
おいて指向特性が平坦な超音波が発射されるようになっ
ている(特開昭６１−２２３９８号公報参照)。

【００２９】２６は前述のトリガ信号Ｔをリセット信号
として入力するとともに、受波ビームの１旋回走査が終
了するたびに制御部３２から出力される旋回走査終了信
号Ｓを入力してカウントする距離カウンタである。すな
わち、この距離カウンタ２６は、旋回走査終了信号Ｓが
加わるたびにカウントアップするが、そのカウント値Ｒ
は、受波ビームＢrの探知地点までの直線距離に対応し
ている。

【００３０】また、２８は距離カウンタ２６から出力さ
れるカウント値Ｒに対応して、受波ビームの探知地点ま
での距離に応じて予め設定されたティルト角θの設定デ
ータを順次出力するティルト角設定データ発生部であ
る。すなわち、このティルト角設定データ発生部２８
は、たとえばＲＯＭで構成されており、図５に示すよう
に、距離カウンタ２６から出力されるカウント値Ｒで指
定されるアドレス位置にティルト角θのデータが対応付
けて記憶されている。この場合、カウント値Ｒが直線的
に増加するのに応じてティルト角θが階段状に増加、減
少し、しかも、カウント値が２つ増加して初めてティル
ト角の値が変化するように設定されている。

【００３１】３０はティルト角設定データ発生部２８か
ら読み出されたティルト角θの設定データに基づいて各
垂直位相合成回路６a〜６nに対して受信信号の垂直方向
の位相を揃えるための位相補正信号(キャリア信号)φを
出力する位相補正信号発生部である。

【００３２】３２は前述のトリガ信号ＫＰを出力すると
ともに、このトリガ信号Ｔの出力周期tr内に、水平位相
合成回路１６の移相量を設定した後に切換回路１４の切
り換え走査を回繰り返すことにより、受波ビームＢrを
旋回走査し、さらに、この旋回走査が１周されるたびに
旋回走査終了信号Ｓを出力する制御部である。

【００３３】そして、上記の距離カウンタ２６、ティル
ト角設定データ発生部２８、位相補正信号発生部３０、
および制御部３２によって、特許請求の範囲における指
向方向制御手段３３が構成されている。

【００３４】次に上記構成の水中探知装置における超音
波の送受波動作について説明する。

【００３５】超音波の送波に際しては、制御部３２から
トリガ信号Ｔが出力され、このトリガ信号Ｔが送信部１
８と距離カウンタ２６とにそれぞれ与えられる。

【００３６】送信部１８の信号発生器２０からは、この
トリガ信号Ｔに応答して、所定の搬送周波数(たとえば
２００ＫＨｚ)のパルス信号が駆動信号として出力さ
れ、これが各移相器２２に送出されてそれぞれ所定の移
相量が与えられ、さらに、各パルス信号が増幅器８で各
々所定の増幅度で増幅された後、全ての振動子２に加え
られる。

【００３７】これにより、発射される超音波の送波ビー
ムＢtは、図４に示すように、各振動子ブロック４a〜４
nごとに、α₀／２のティルト角をもち、かつ、超音波の
ビーム幅α₀が広く、そのビーム幅α₀の範囲では平坦な
指向特性をもち、かつ、超音波送受波点pを中心とした
全周をカバーするようなビームとして形成される。

【００３８】そして、この超音波の送波ビームＢtの発
射周期tr内に、以下に述べる受信動作が行われる。

【００３９】水中の超音波エコーは、送受波器３の各振
動子ブロック４a〜４nごとに受波され、これに応じて、
各振動子ブロック４a〜４nを構成する各振動子２から受
信信号が出力され、これらの受信信号が、次段の各垂直
位相合成回路６a〜６nに入力される。このとき、後述す
るように、位相補正信号発生部３０からは各垂直位相合
成回路６a〜６nに対して、あるティルト角θiの下で、
受信信号の垂直方向の位相を揃えるための位相補正信号
(キャリア信号)φが与えられているため、受信信号の垂
直方向の位相が揃えられて合成される。さらに、制御部
３２が切換回路１４を切換走査することにより、各垂直
位相合成回路４a〜４nの出力の内の１群(m個)の受信信
号が切換回路１４で選択され、これらの受信信号が水平
位相合成回路１６に入力されて水平方向の位相が揃えら
れて合成される。

【００４０】これにより、あるティルト角θの下で、垂
直方向および水平方向においてそれぞれ幅の狭い受波ビ
ームＢrが形成されてこれが旋回走査される。

【００４１】次に、このような受波ビームＢrを旋回走
査しながらティルト角θを変更する場合の指向方向制御
について説明する。

【００４２】まず、距離カウンタ２６は、制御部３２か
らのトリガ信号Ｔによってリセットされる。また、制御
部３２は、受波ビームＢrの旋回走査が１回終了するた
びに旋回走査終了信号Ｓを距離カウンタ２６に出力す
る。したがって、距離カウンタ２６によって旋回走査の
回数がカウントされる。このため、距離カウンタ２６の
カウント値Ｒは、受波ビームＢrが１旋回走査されるた
びに順次カウントアップする。そして、そのカウント値
Ｒが次段のティルト角設定データ発生部２８に対してテ
ィルト角θのデータの読み出しアドレスとして加えられ
る。その結果、ティルト角設定データ発生部２８から
は、図５に示すようなティルト角θのデータが読み出さ
れる。ここで読み出されるティルト角θのデータは、カ
ウント値Ｒが増加するのに応じて階段状に増加、減少
し、しかも、カウント値が２つ増加して初めてティルト
角のデータが変化する。たとえば、距離カウンタ２６の
カウント値がＲiを示すときには、ティルト角としてθi
のデータが出力され、また、カウント値がＲi₊₁になっ
ても、同じθiのティルト角のデータが出力される。そ
して、カウント値がＲi₊₂になって始めてティルト角が
変更されてθi₊₁となる。

【００４３】そして、このようにして読み出されたティ
ルト角θのデータは、次段の移相補正信号発生部３０に
加えられるので、移相補正信号発生部３０は、このティ
ルト角θのデータに応じて、各垂直位相合成回路６a〜
６nに対して受信信号の垂直方向の位相を揃えるための
位相補正信号φを出力する。これにより、受波ビームＢ
rが２回旋回走査される間は、垂直位相合成回路６a〜６
nにおいて、ティルト角θは所定の値に固定され、受信
信号の垂直方向の位相が揃えられて合成される。

【００４４】このようにして、送波ビームＢtの発射周
期tr内において、受波ビームＢrの旋回走査とティルト
角の変更とが行なわれるので、三次元の探知情報が短時
間の内に得られる。しかも、図６に示すように、あるテ
ィルト角θiの下で受波ビームが水平方向に２回旋回走
査された後、ティルト角がθi₊₁に変更されて、このテ
ィルト角θi₊₁の下で再び受波ビームが２回旋回走査さ
れるというように、受波ビームを２回旋回走査してから
ティルト角θを変更するという動作が繰り返されるの
で、ティルト角の切り換時に得られる受信信号データ
(図６のx₁，x₂，…)の方位が不明確であっても、再度の
旋回走査によってティルト角が確定された状態で同じ方
位のデータが収集されるため、この受信信号データを利
用すれば、画像の欠落や偽像の発生の無い水中探知情報
が得られることになる。

【００４５】なお、この実施例においては、ティルト角
θの変更は、受波ビームＢrが２回旋回走査されるたび
に行われているが、これに限定されるものではなく、３
回以上旋回走査した後にティルト角θを変更するように
しても、同様の効果が得られる。

【００４６】

【発明の効果】本発明によれば、従来のように、複数回
にわたって超音波の送受信を行う必要はなく、超音波を
送波ビームの発射周期内で、受波ビームの旋回走査とテ
ィルト角の変更とが行なわれるので、三次元の探知情報
が短時間の内に得られる。

【００４７】しかも、送波ビームの範囲内で受波ビーム
が水平方向に複数回旋回走査されてからティルト角を変
更する動作が繰り返されるので、ティルト角変更時に得
られる受信信号データが無効であっても、再度の旋回走
査によってティルト角が確定された状態で同じ方向のデ
ータが収集されるため、画像の欠落や偽像の発生の無い
水中探知情報が得られるようになる等の優れた効果を奏
する。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施例に係る水中探知装置の構成を示
すブロック図である。

【図２】図１の装置の垂直位相合成回路の詳細を示すブ
ロック図である。

【図３】図１の装置の送信部の詳細を示すブロック図で
ある。

【図４】超音波の送波ビームの指向特性を示す説明図で
ある。

【図５】距離カウンタのカウント値に基づいてティルト
角設定データ発生部から読み出されるティルト角のデー
タを示す説明図である。

【図６】受波ビームのティルト角の変更と旋回走査の相
互の関係を立体的に示す説明図である。

【図７】従来の受波ビームの旋回走査により得られる探
知情報の範囲を示す説明図である。

【図８】水中の探知情報を画像表示した場合の説明図で
ある。

【図９】従来のティルト角の変更と旋回走査の相互の関
係を説明するための図である。

【図１０】従来の受波ビームの旋回走査とティルト角の
変更との関係を立体的に示す説明図である。

【図１１】ティルト角を変更する場合の、ティルト角推
移中の真の深度と計算上の深度との関係を示す説明図で
ある。

【符号の説明】

１…水中探知装置、２…振動子、４a〜４n…振動子ブロ
ック、６a〜６n…垂直位相合成回路、１６…水平位相合
成回路、１７…受波ビーム形成手段、１８…送信部(送
波ビーム形成手段)、２６…距離カウンタ、２８…ティ
ルト角設定データ発生部、３０…位相補正信号発生部、
３２…制御部、３３…指向方向制御手段。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 超音波送受波点を中心とした全周にわた
   り、かつ、所定のティルト角を中心として幅広の平坦な
   指向特性をもつ送波ビームを形成する送波ビーム形成手
   段と、 前記送波ビームよりも指向特性の鋭い受波ビームを形成
   する受波ビーム形成手段と、 前記送波ビームの発射周期内において、この送波ビーム
   の範囲内で前記受波ビームを水平方向に複数回旋回走査
   してからティルト角を変更する動作を繰り返す指向方向
   制御手段と、 を具備することを特徴とする水中探知装置。