JPS5880578A - 音響光学的パルス圧縮によるソナ−方式 - 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】 本発明は、音響光学的な手法を用いてパルス圧縮を行い
、送信パルスの波高値を低減し、かつ、受信信号の信号
対雑音（Ｓ／Ｎ）比を向上させる音響光学的パルス圧縮
によるソナ一方式（方法）に関する。

従来より、レーダー、ソナー、超音波探傷器、およびパ
ルス信号伝送路等において、パルス信号の受信時におけ
るＳ／Ｎ比を改善するため、パルス信号の時間軸圧縮処
理が数多くの方法で実現されてきた。パルス信号の時間
軸圧縮の原理は、時間的に積分したパルス入力信号を一
時に出力することである。このためパルス入力信号を一
時的に蓄わえる方法、および、これら蓄わえられた信号
を同時に放出する方法の２つが基本と考えられる。

電気回路的には、例えば、コンデンサー等に蓄わえ九信
号をトリガ信号によって瞬時に放電させる方法があるが
、高周波領域では回路構成が難かしく、また、適当なタ
イミングを持ったトリガ信号が容易に得られない欠点が
ある。現在における蛤も一般的で有効な方法として、線
形ＦＭ信号と弾性表面波フィルタを用いたパルス時間圧
縮があるが、この方法では弾性表面波素子の形状、物理
的性質によって使用できる信号周波数が数十ＭＨｚ以上
の高周波に限られてしまう。この方法を超音波周波数（
数十ＫＨｚ〜数ＭＨｚ）領域に用いるためには、さらに
特別な信号処理を加える必要があるが、信号処理の複雑
さに比べてＳ／Ｎ比の向上は多くを期待できない。これ
らの点より、超音波周波数領域でのソナ一方式（方法）
において、前記弾性表面波素子を用いるような簡単で有
効なパルス時間圧縮方法の検討が望まれる。

本発明は上記の事柄に鑑み、音響光学的に空間的信号処
理を行うことによってパルス信号を時間軸圧縮し、送信
時の信号波高値を小さくした場合、および受信信号に雑
音成分が多く、かつ、受信信号自体が徽弱な場合でも、
良好なＳ／Ｎ比の得られるソナ一方式（方法）を提供す
ることを目的としている。

この目的のため本発明では、受信信号の処理に超音波を
用いて前記受信信号の情報を有する２種類の空間的信号
を形成し、かつこれを空間的に保持し、適当な時刻にこ
の２つの信号を実時間相関演算することにより、時間軸
圧縮された前記受信信号を得る方法を考案した。さらに
実時間相関演算出力が効率良くパルス状になるための前
記空間的信号の波形について検討を行い、パルス時間軸
圧縮に用いる信号波形の性質を考案した。

本発明の主たる部分は、音響光学的パルス時間軸圧縮の
方法であるため、まずこの方法より説明する。パルス時
間軸圧縮に用いる超音波空間位相格子形成用信号は以下
のように構成される。超音波伝搬速度Ｖ１，Ｖ２，・・
・　Ｖｎ（ｎ　≧　２）の比ｖｋ／ｖｋ−１（ｋ＝２，
３，・・・　ｎ　）が一定の値Ｒ（０＜Ｒ＜１）となる
ような少くとも２種類の超音波伝搬媒質を用意する。

第１図は、上記比Ｒが定まった場合の超音波空間位相格
子形成用信号１の一例を示しており、横軸に時間、横軸
に振幅値を示してある。この超音波空間位相格子形成用
信号１は、連続するｒ個（ｒ≧２）のセグメント（分節
）より構成され、それらセグメントの各々は互いに異な
る時間周波数の信号で構成されている。第１セグメント
２の時間周波数ｆ１と、セグメント継続時間Ｔ１を任意
の値に定め、第２セグメント３の時間周波数をｆ１／Ｒ
，継続時間をＴ１・Ｒ，第３セグメント４の各々をｆ１
／Ｒ２，Ｔ１・Ｒ２という具合に、以下順次構成して行
く。これにより、各々のセグメントの時間周波数が１／
Ｒの比率で増加し、継続時間がＲの比率で減少する超音
波空間位相格子形成用信号１が作られる。

次に、前記超音波空間位相格子形成用信号１を具体的に
実現するための音響光学的電気信号処理用液体セルの、
一実施例における構成図を第２図に示す。直方体のセル
５の対向する１組の壁面に超音波振動子６と超音波吸収
部材７が対向するように配置さね、該１１方体の他の対
向する１組の壁面には１対の光透過窓８ａ、８ｂが設け
られている。

該セル外より単色平面波光がこの光透過窓を通過して該
セル内に入射し、さらに該セル外に放出される。該セル
の内部は１枚の透明な仕切板９で２室に分離されており
、この仕切板と該振動子が接する部分、すなわち、仕切
板の縁にあたる部分では、前記振動子の振動を妨けない
ようにするため、液体を通過させず、しかも弾力性のあ
る部材１０を用いて２室を分離している。この２室には
それぞれ超音波伝搬速度の異なる液状の超音波伝搬媒質
１１ａ、ｌｌｂが充てんされており、この２液は前記仕
切板と前記弾性のある部材によって互いに漏れることな
く液密に保たれている。前記超音波振動子には電気信号
を供給するための入力端子１２が接続さねている。なお
、前記セルの外形は直方体に限定されることは無い。

第３図は、前記液体セルを用いて槙成した、音響光学的
パルス時間軸圧縮器の一実施例を示している。前記液体
セル５とレンズ１３、光学的フィルタ１４、光検出器１
５とを組合せたフーリエ変換光学系において、前記セル
内の前記超音波振動子に、前述したセグメント周期およ
び周波数を有する電気信号加えると、この電気信号によ
って生じそ前記セル内の２つの超音波空間位相格子によ
り、前記液体セル内に入射する単色平面波光は空間的に
位相変調を受ける。よって前記液体セルを出射した前記
単色平面波光を前記レンズ１３を通過させることによっ
て集束させれば、前記レンズの焦点面に回折像が生ずる
。この回折像のうち前記２つの空間的位相格子を共に通
過した結果発生生した、特定の回折輝点のみを前記光学
的フィルタ１４にて検出し、光検出器１５によって気信
号に変換すれば、後述のパルス時間軸圧縮の原理によっ
て前記振動子に加えた電気信号の時間圧縮した信号を得
ることができる。

次に、パルス時間軸圧縮の原理を述べる。第４図は前記
第２図における音智光学的電気信号処理用液体セル中に
、前記電気信号の入力端子１２より前述した超音波空間
位相格子形成用信号１を入力ｌ〜た場合に、前記セル内
に生じろ２つの超音波位相格子１６ａ、１６ｂの状態を
示している。超音波振動子６より発射された超音波信号
は、超音波伝搬媒質１１ａ、１１ｂ中を異なる速度ｖａ
、ｖｂでそれぞれ伝搬するｎこの時、前記超音波信号が
例えば５個のセグメントで楡成されていると仮定すれば
、前記媒質１１ａ中を速度ｖａで進行する超音波空間位
相格子１６ａの各セグメント長さｌ１は、式ｌ１＝Ｔ・
Ｒ１−１で与えられ、ｌ１＝Ｔ・ｖａ，ｌ２＝Ｔ・Ｒ・
ｖａ、ｌ３＝Ｔ・Ｒ２・ｖａ，ｌ４＝Ｔ・Ｒ３・ｖａ，
ｌ５＝Ｔ・Ｒ４・ｖａ　となる。

また、各々のセグメントにおける空間周波数ｋ１は、式
ｋ１　＝　ｆ・Ｒ１−１／ｖａ　　で与えられ、ｋ１＝
ｆ／ｖａ、ｋ２＝ｆ／Ｒ・Ｖａ、ｋ３＝ｆ／Ｒ２・ｖａ
，ｋ４＝ｆ／Ｒ３・ｖａ，ｋ５＝ｆ／Ｒ４・ｖａ　とな
る。同様に、前記媒質１１ｂ中のセグメント長さｌ１お
よび空間胸波数にｋ′１は、前記ｌ１，ｋ１の式中にお
けるｖａをｖｂに置き換えることによって得ることがで
きる。ここで、Ｒ＝　ｖｂ／ｖａの条件を用いて前記媒
質１１ｂ中の前記ｌ１，ｋ’１の値を一出すれば、ｌ′
１＝Ｔ・Ｒ・ｖａ，ｌ’２＝Ｔ・Ｒ２・ｖａ、ｌ′３＝
Ｔ・Ｒ３・ｖａ，ｌ’４＝Ｔ・Ｒ４・ｖａ，Ｉ’５＝Ｔ
・Ｒ５・ｖａ，および、ｋ′１＝ｆ／Ｒ・ｖａ，ｋ’２
＝ｆ／Ｒ２・ｖａ、ｋ’３＝ｆ／Ｒ３・ｖａ、ｋ’４＝
ｆ／Ｒ４・ｖａ，ｋ’ａ＝ｆ／Ｒ５・ｖａが得られる。

すなわち、前記媒質１１ａ中を進行する超音波空間位相
格子１６ａの第２〜第５セグメントは、それそれ、前記
媒質１１ｂ中を進行するそれの第１〜第４セグメントに
、空間的長さ、空間周波数共に完全に一致している。

さらに、これら２つの超音波空間位相格子は、各々異な
る速度ｖａ，ｖｂで進行しているため、前記空間位相格
子１６ｂが前記超音波振動子６の振動面より距離ｘの位
置に達した時、前記空間位相格子１６ａは、前記ｘの位
置よりもｘ（１−Ｒ）／Ｈの距離だけ進行方向にさらに
進んでいる。従って、前記空間位相格子１６ｂと同１６
ａとの位置の差ｘ　（１−Ｒ）／Ｒが、前記空間位相格
子１６ａの第１セグメント長さｌ１、と等しくなりた時
刻において、同図に示す如く空間的に前記空間位相格子
１６ａの第２〜第５セクメントと、同１６ｂの第１〜第
４セグメントが完全に重なり合う。前記第３図に示しだ
音響光学的パルス時間軸圧縮器の回折輝点の強度は、光
学的相互相関演算の原理に基き、前記液体セル中の２つ
の空間的位相格子の重なり具合に比例する事が知られて
おり、前記第４図に示すように、２つの前記空間位相格
子１６ａ、１６ｂが完全に重なった時刻に最大値を示す
。

次に、この相互相関演算による出力が、入力信号の時間
軸圧縮信号になることを簡単な計算機シミュレーション
結果を用いて説明する。

第５図は前記第３図の音響光学的パルス時間軸圧縮器に
おける時間軸圧縮動作を計算機シミュレーションした結
果の一例である。簡単のために、超音波伝搬媒質が２つ
の場合について行った結果である。同図下方に示した周
波数変調された信号はモデル化したスカイ信号で、前記
超音波空間位相格子形成用信号１７である。同図上方の
凸凹した波形１８は、前記回折輝点の強度を示し、最大
のビーク値を示す点において、前記入力信号によって前
記セル内に生じた２つの超音波信号の重なり具合、すな
わち相互相関値が最大となることを示す。前記ピーク値
を示す波形の半値幅は、前記入力信号の継続時間に比べ
て十分短く、パルス時間軸圧縮が良好に行われているこ
とがわかる。時間軸圧縮された出力パルス波の波高値は
、前記入力信号の波高値（振幅値）と継続時間の積に比
例するため、波高値の小さな入力信号でも、その継続時
間が長ければパルス時間軸圧縮によって大きな波高価と
することができる。さらに、媒質が２つ以上の場合、前
記液体セル中に発生する超音波空間位相格子の数が増加
し、高次の相互相関演算が可能となるため、さらに急峻
な出力波形を得ることができる。またさらに、超音波空
間格子形成用信号１のセグメント長さを短くし、超音波
周期程度にすれば、セグメントに分割して周波勧変調す
る必要は無くなり、適当な非線形曲線に近似して周波数
変調を加えた電気信号を、前記入力信号として使用する
ことも可能である。

次に、本発明によるパルス時間軸圧縮法を用いたソナー
について、いくつかの具体的実施例の構成図を示して説
明する。前記ソナーの構成は、その探知方式（方法）が
超音波の透過信号を用いるか、反射信号を用いるかによ
って大きく２つに分けられ、さらに、使用する探知用超
音波の変調方法によって、いくつかに細分化される。

第６図は透過形ソナーの基本的な構成を示している。被
測定物１９に対して探知用超音波係号２ｏがその中を透
過し、検出されるよう、送信用振動子２１と受信用振動
子２２が振動子保持器２３によって保持されている。こ
の振動子保持器は移動器２４により前記被測定物に対し
て位置を変化することができ、その際の移動量、または
被測定物と前記保持器との相対位置を示す電気信号を発
生することができる。前配送信用振動子に加える電気信
号は、前述した特定のセグメント周期、周波数によって
正弦波信号を周波数変調し、さらに適当な継続時間を有
する矩形パルス状に振幅変調を施したものである。この
信号は、第１の発振器２５で発生させた正弦波信号を、
変調信号発生器２６よりの変調傷号により、周波数・振
幅変調器２７において変調して得る。この時、前記変調
信号発生器からは、振幅変調の開始時刻、すなわち、探
知用超音波信号２０の発射時刻を表わすトリガ信号が発
生する。前記周波数・振幅変調器より出力された信号は
、増幅器に送られ、所定の振幅価に増幅さねた後、前記
送信用振動子に加λら引、超音波となって前記被測定物
に向け放射される。前記被測定物を透過して前記受信用
振動子で検出される前記超音波信号は、前記被測定物の
動きや、材質によって時間遅れを生じている。この時間
遅れの生じた検出信号は増幅器を通過して十分な振幅増
幅を施された後、振幅変調器２８に入力される。一方、
この振幅変調器には、第２の発振器２９より前記液体セ
ル中に配置した超音波振動子６の共振周波数正弦波か送
られてきており、この正弦波信号は前期振幅変調器内で
、前記時間遅れした検出信号によって振幅変調を受ける
。前記振幅変調器の出力信号は増幅器で電力増幅された
後、前記液体セル中の前記超音波振動子に加えられる。

前記液体セル、および、フーリエ変換光学系を用いた音
響光学的パルス時間軸圧縮器３０の構成と動作について
は、すでに詳述したとうりである。前記音響光学的パル
ス時間軸圧縮器よりの出力は表示装置３１に送られ、前
記移動器よりの位置信号、および、前記変調信号発生器
よりのトリガ信号と組合されて、被測定物の状態や測定
値を表示する。

以上が透過形ソナーの基本構成、ならびに動作原理であ
り、この袖のソナーの構成要素は大別して、同図中、点
線で囲んだ前記音曽光学的パルス時間軸圧縮器３０．送
信信号発生器３２．受信信号処理部３３の３ブロツクに
分けられる。全く同様の動作原理で反射形ソナーを実現
することも可能である、この場合、受信用振動子は送信
した超音波信号が被測定物に当って反射し、戻って来る
位置に配置されることは言うまでもない。さらに、反射
形ソナ一方式においては、送受信用振動子に等しい周波
数特性を有する振動子を用いる場合が多い。

このような時には、送受信用振動子を単一の振動子で賄
うことが出来、装置の簡略化、および探知用超音波個号
の送受細部を小形化することに役立つ。第７図は、この
ような１個の送受信兼用振動子３４を用いた、反射形ソ
ナーの一構成図を示している。前記第６図の透過形ソナ
ーと基本的構成は同様であるが、１個の送受信用振動子
を、探知用超音波信号の発射時刻に同期させて、送信、
受信と切換える必要があり、このため、前記変調信号発
生回路よりのトリガ信号によって切換動作するスイッチ
３５を新たに付加している。さらに、前記透過形ソナー
の移動器２４の代わりに、超音波振動子の向きを変化さ
せ、探知用超音波の発射方向を定める、振動子方向制御
器３６が設けらね、この制御器からは前記超音波の発射
方向を表わす電気信号が発生する。以上に述べた２種の
ソナーは、探知用超音波信号と前記液体セル内でのパル
ス時間軸圧縮用超音波信号とで異なる周波数の信号を使
用する例であり、探知用超音波信号に被測定物の材質や
、測定項目に適した周波数帯域の超音波信号が使用でき
る利点がある。

一方、探知用超音波と圧縮用超音波とに同−周波数帯の
超音波信号を用いることによって、装置の構成を簡略化
することができる。第８図は透過形ソナーにおいて、前
記２種類の超音波信号に同一波形信号を使用した一構成
例である。本図における構成は、前記第６図におはる透
過形ソナーの構成に比べると、受信信号処理部３３が省
略されており、受信用振動子２２で検出された超音波信
号がそのまま増幅器を通って音響光学的パルス時間軸圧
縮器３０に入力される構成となっている。このため、送
信用振動子２１に加える物体信号は、前記圧縮器でその
Ｌ！を相関処理することが可能な、前述のセグメント周
期、周波数を持った信号でなくてはならない。この信号
は、前記送信用ならびに、前記液体セル中の振動子の共
振周波数正弦波を発生する正弦波発振器３７の出力信号
を、変調信号発生器２６の変調用信号によって、周波数
・振幅変調器２７において変調して作成する。この構成
においては、採知用超せ波信号の使用可能な周波数帯域
が前記圧縮器で用いる超音波信号で決めらねてしまうが
、この様に、装置の簡略化が行えるのは、バルス時間軸
圧縮に超音波信号を使用した、本発明のソナ一方式にお
ける大きな特徴の一つである。

第９図は、反射形ソナーにおいて装置簡略化を行った場
合の一構成例を示している。基本的構成は前記第７図に
示しだ反射形ソナーの構成に準じ簡略化は前記第８図の
場合と同様に、受信号処理部３３の省略という形で行わ
引ている。

以上の実施例の他、さらに探知用超音波信号の振幅変調
の方法、すなわち、アナログ変調かディジタル変調かで
いくつかの異なる実施例が考オられる。例えば、前記実
施例に用いらねている変調信号発生器２６をディジタル
化することにより、アナログ回路より構成の簡単な論理
回路によって、外部よりプログラム可能な変−信号発生
器が実現でき、この結果、探知用超音波信号の周波数、
繰返し周期、波形等を、被測定物の性質や状態に合わせ
て任意に変化させることも可能である。

以上述べたように、本発明による音響光学的パルス圧縮
によるソナ一方式では、超音波軸域（数十ＫＨｚ〜　数
ＭＨｚ）の信号を実時間相関演算によって時間軸圧縮し
、その結果、信号の波高値を増大させ、かつ、雑音中の
信号のみを選別してＳ／Ｎ比を向上させる効果を有する
。この方式によるソナーでは、放射する探知用超音波信
号の振幅強度を小さくすることが可能であるため、超音
波の影響を受は易い被測定物や、生体等の測定、検査に
有効である。さらに，送受化用の振動子を小形化し、微
細な被測定物の計測にも応用でき、実用上多くの効果が
期待できる。

【図面の簡単な説明】

第１図は、空間的位相格子形成用信号の構成を示す図、
第２図は、音響光学的市気信号処理用液体セルの構成を
示す図、第３図は、音餐光学的パルス時間軸圧縮器の構
成を示す図、箪４図は、液体セル中における２つの超音
波位相格子の状態を示す図、第５図は、パルス時間軸圧
縮の計算機シミュレーション結果を示す図、第６図〜第
９図は本発明の方法に基くソナーの実施例における構成
図である。 図中、１は空間位相格子形成用信号、１１ａ、１１ｂけ
超音波伝搬媒質　１３はレンズ、１４は空間フィルタを
示す。 代理人　弁理士　小　池　龍太部 第２図 （ａ） （ｂ）

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 被測定物を通過または該被測定物より反射した超音波信
   号から該被測定物の形状、位置、材質等を検知するソナ
   ー方式において；伝搬速度ｖｎ（ｎ≧２）の比ｖｋ／ｖ
   ｋ−１（ｋ＝２．３．４・・・）が一定値Ｒ（０＜Ｒ＜
   １）となるごとき少なくとも２種類の超音波伝搬媒質（
   １１ａ、１１ｂ）中に該超音波から形成された空間位相
   格子形成用信号（１）あるいけ該発射さｆ″Ｉだ超音波
   が空間位相格子形成用信号と同じ場合には該超超音波信
   号同時に同方向に発射してそれぞれの該媒質中に超音波
   位相格子を形成し；該超音波空間位相格子と直角方向に
   単色平面波光を通過させレンズ（１３）により集光させ
   て回折像を作り：空間フィルタ（１４）を介して所定位
   置の該回折像の輝点を検出し；該被測定物に向けて発射
   した該超音波信号の発射時刻と該輝点が検出された時刻
   との差により該測定物の形状、位置、材質等を検知する
   ことから成り、前記空間的位相格子形成用信号は、時間
   周波数ｆの超音波信号をＴ時間、以下、時間周波数ｆ／
   Ｒの超音波信号をＲＴ時間、時間周波数ｆ／Ｒ２の超音
   波信号をＲ２Ｔ時間、時間周波数ｆ／Ｒ３の超音波係号
   をＲ３Ｔ時間、・・・・・・、（Ｔは任意時間）となる
   よう順次切り換えて発射することを特徴とする音参光学
   的パルス圧縮によるソナ一方式。