JP3584883B2 - 合成開口ソーナー及び合成開口処理方法 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は合成開口ソーナー及び合成開口処理方法に関し、特に進行速度を高速化するための実開口アレイ分割および送受信多重化手法を用いた合成開口ソーナー及び合成開口処理方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
合成開口レーダー（Ｓｙｎｔｈｅｔｉｃ Ａｐｅｒｔｕｒｅ Ｒａｄｅｒ：ＳＡＲ）は高い空間分解能を得るレーダー方式として人工衛星、航空機で利用されている。これと同じ原理に基づき、合成開口処理をソーナーに対して適用したものが合成開口ソーナー（Ｓｙｎｔｈｅｔｉｃ Ａｐｅｒｔｕｒｅ Ｓｏｎａｒ：ＳＡＳ）である。
【０００３】
図８はストリップ・マップ（Ｓｔｒｉｐ−Ｍａｐ）方式の合成開口ソーナーの基本原理の説明図である。同図を参照すると、実開口アレイ１０１が図面下方から上方方向（アジマス方向）へ進行するとすると、まず位置Ａで探知目標方向（レンジ方向）Ｅに対して１回目の信号の送信及び受信を行い、次に実開口アレ長の半分だけ進行した点で信号の送信及び受信を行う。この信号の送信及び受信を、位置Ｂを経て位置Ｃに到るまで、合計Ｎ回連続的に行う。この時、Ｎ回の送受信追いずれも探知目標１０２がビームの照射領域に含まれる。そして、これらＮ回の受信データを集約し、合成開口処理（コンボリュ−ション処理）を行うことにより、実開口アレイ１０１よりも長い開口長（合成開口長）Ｈで１回送受信した場合に得られる分解能と同様の分解能が得られる。これが、合成開口ソーナーの基本原理である。
【０００４】
合成開口処理にもいくつか手法があるがここでは最も一般的なストリップ・マップ（Ｓｔｒｉｐ−Ｍａｐ）方式の合成開口ソーナーを対象とする。
【０００５】
ストリップ・マップ方式の合成開口ソーナーは、従来から用いられているサイドスキャンソーナー（Ｓｉｄｅ−Ｓｃａｎ Ｓｏｎａｒ：ＳＳＳ）のアジマス分解能を向上する処理として認識できる。サイドスキャンソーナーは連続的に音響送受信を行いながら進行することで、海底面の音響反射強度の２次元マップを生成する。この海底面マップのレンジ方向の分解能（レンジ分解能）は、送受信信号にＰＣＷ（Ｐｕｌｓｅ Ｃｏｎｔｉｎｕｏｕｓ Ｗａｖｅ）を用いた場合はパルス長に、ＬＦＭ（Ｌｉｎｅａｒ Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ Ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ）のような広帯域信号を用いた場合には周波数帯域幅にそれぞれ比例する。又、角度分解能は、送受波器アレイが形成するビーム幅により決定される。即ち、角度分解能は、ソーナーの実開口長もしくは中心周波数に比例する。
【０００６】
一方合成開口ソーナーは、前述したように連続する複数の送受信信号を用いて仮想的な長いアレイ（合成開口アレイ）を生成することで、通常のＳＳＳ以上の角度分解能（もしくはアジマス分解能）を得る方式である。
【０００７】
通常、合成開口ソーナーではレンジに比例して合成開口アレイの長さを変える処理を行う。この結果、得られる海底マップはアジマス方向の空間分解能（アジマス分解能）が、レンジに関係なく一定となる。このアジマス分解能はグレーティングローブ抑圧条件から、実開口アレイ長Ｄの半分Ｄ／２に制限される。これは即ち空間サンプリング間隔がＤ／２となることを意味し、合成開口処理を行った結果得られる空間分解能もＤ／２以下に制限される。
【０００８】
又、ソーナー進行速度Ｖは最大レンジをＲとした場合、
Ｖ≦（Ｄ／２）（ｃ／２Ｒ）・・・・・・（１）
に制限される。ここでｃは水中音速である。このＶとＲのトレードオフ条件はレーダーにも当てはまるが、ソーナーでは水中音速ｃの遅さから、レーダーに比べて進行速度、レンジおよび分解能が厳しく制限される。
【０００９】
このトレードオフ制限を越えてソーナーの運用効率を向上する方式が幾つか提案されている。例えばバーニア分割方式（Ｍ．Ａ．Ｌａｗｌｏｒ ｅｔ ａｌ．著 “Ｆｕｒｔｈｅｒ ｒｅｓｕｌｔｓ ｆｒｏｍ ｔｈｅ ＳＡＭＩ ｓｙｎｔｈｅｔｉｃ ａｐｅｒｔｕｒｅ ｓｏｎａｒ” ＩＥＥＥ ＯＣＥＡＮＳ´９６，１９９６， Ｖｏｌ．２，ｐｐ５４５−５５０）や、特開平１０−１４２３３３号公報等がある。これらの方式はいずれも１送受信で複数の空間サンプリングを行うものであり、実開口アレイを分割して使用する。この分割数に比例してアジマス分解能は向上し、かつ進行速度を遅くする必要もない。
【００１０】
ここでバーニア分割方式の一例を図９及び図１０を参照しながら説明する。図９が通常の合成開口方式であるのに対し、図１０が実開口アレイを２分割した２バーニア分割方式である。まず、通常の合成開口方式について説明する。
【００１１】
図９を参照すると、まずピング（ｐｉｎｇ）１ではアジマス位置Ｓ１にて長さＤのアレイ１１０から探知目標１０２に対して信号の１回目の送信を行い、探知目標１０２からの反射（エコー）信号を受信する。次に、ピング２ではピング１からＤ／２進んだ位置（アジマス位置Ｓ２）にてバ−ニア１１０から探知目標１０２に対して信号の２回目の送信を行い、探知目標１０２からの反射信号を受信する。次に、ピング３ではピング２からＤ／２進んだ位置（アジマス位置Ｓ３）にてバ−ニア１１０から探知目標１０２に対して信号の３回目の送信を行い、探知目標１０２からの反射信号を受信する。この送受信を連続的にＮ回繰り返し、Ｎ回の受信信号に基づき合成開口処理が行われる。このように、１ピングでＤ／２ずつ移動しながら送受信するのでアジマス分解能ＲＥＳはＤ／２となり、アレイ１１０の速度ＶはＰＲＦ・Ｄ／２となる。又、アレイ全体を用いて送受信を行うため、位相等価なオーバーラップ点を定義できず、従ってオーバーラップ方式による動揺補正が困難である。
【００１２】
次に、実開口アレイを２分割した２バーニア分割方式について説明する。図１０を参照すると、図１０の２バーニア分割方式では図９のアレイ１１０を２分割し、後方バーニア１１１と前方バーニア１１２とでアレイが構成される。そして、後方バーニア１１１（長さＤ／２のサブアレイ）で信号を送信し、探知目標１０２からの反射信号を後方バーニア１１１と前方バーニア１１２の両者で受信する。この時、後方バーニア１１１の受信信号はアジマス位置Ｓ１，１（後方バーニア１１１の最後部からＤ／４前進した位置）における送受信信号に等しく、前方バーニア１１２の受信信号はアジマス位置Ｓ１，２（アジマス位置Ｓ１，１からＤ／４前進した位置）における送受信信号に等しい。この関係はディスプレイスド・フェイズ・センタ（Ｄｉｓｐｌａｃｅｄ Ｐｈａｓｅ Ｃｅｎｔｅｒ）と呼ばれるものである。この送受信をＤ／２進むごとに行うことにより、アジマス分解能ＲＥＳは通常方式の２倍のＤ／４となり、アレイ１１０の速度Ｖは通常方式と同じＰＲＦ・Ｄ／２となる。又、位相等価なオーバーラップ点を定義できないため、この方式もオーバーラップ方式による動揺補正が困難である。なお、実開口アレイを分割して使用する方式の一例が特許第２８０３６５８号公報にも開示されている。
【００１３】
一方、合成開口ソーナーの技術課題としてソーナーの動揺に弱いことが挙げられる。図１１はソーナーの動揺の説明図である。同図はソーナー１２０が同図の左側から右側へ進行する場合を示している。ソーナー１２０は理想的には直線軌跡１２１上を進行する。しかし、ソーナー１２０、即ち水中を曳航される曳航体や自走する航走体といったソーナー・プラットフォームは、必ずしも理想的な直線軌跡１２１上を進行する訳ではなく、流体乱流や潮流の影響で動揺し、実際には曲線１２１´で示すような曲線上を進行する。
【００１４】
水中音速の遅い合成開口ソーナーでは送受信間の時間間隔がレーダーに比べて長く、従って変移量１２２も大きくなる。この結果、ＳＡＳの合成開口アレイは著しく歪んだものとなり、理想的なビーム合成ができず分解能が劣化する。動揺に対する脆弱性は極めてシビアな問題で、中心周波数の波長をλとすると、λの１０％程度の動揺でも画像は劣化してしまう。これは１０ｋＨｚ程度の低周波ソーナーであっても僅か１．５ｃｍ程度の動揺に相当し、これを精度良く計測することは現在の高精度加速度センサを用いても困難である。
【００１５】
動揺補正を行うためＳＡＲではオ−ト・フォ−カシング（Ａｕｔｏ−ｆｏｃｕｓｉｎｇ）と呼ばれる各種の後処理が用いられている。オ−ト・フォ−カシングの基本的な原理は、動揺を含んで分解能が劣化した（フォーカスがずれた）合成開口画像に対し、当該画像のフォーカスが合うような位相補正項を逆算的に求める方式である。
【００１６】
しかしこの方式は「フォーカスの合った画像」を先見的に知っていることが前提となる。例えばＳＡＲではビルや市街区画といった人工構造物がフォーカスの目安となり得るし、また強い電波散乱体を予めマッピング領域に配置しておく方式でもよい。主として地上情報を対象とするＳＡＲではこのような手法が活用可能かつ有効である。
【００１７】
一方、ＳＡＳが扱う海底面情報には一般にこうした人工構造物の存在を期待できず、フォーカスの合った状態を予め予測することは出来ない。また人工の音波散乱体を予め配置する方式も考えられるが、音速の遅いソーナーでは１回の航走で得られるマップの面積が極めて狭いため、広いエリアのマッピングを行う場合は海底が散乱体だらけになってしまう。
【００１８】
このような背景から、ＳＡＳではＳＡＲと異なる動揺補正へのアプローチが研究されてきた。最も代表的な手法は、送受信毎に実開口アレイを部分的にオーバーラップさせ、オーバーラップ部分での受信信号からｐｉｎｇ間の動揺変移量を逐次的に求める方式である（Ｒ．Ｓ．Ｒａｖｅｎ，“Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ Ｓｔａｂｉｌｉｚａｔｉｏｎ ｆｏｒ Ｄｉｓｐｌａｃｅｄ ｐｈａｓｅ Ｃｅｎｔｅｒ Ｓｙｓｔｅｍ”，Ｕ．Ｓ．Ｐａｔｅｎｔ ４，２４４，０３３６，Ｊａｎ １９８１）。
【００１９】
先述のバーニア分割方式への適用を考えると、バーニアによって得られた複数空間サンプリング点のひとつをオーバーラップさせながら進行する方式が考えられる。この方式をバーニア・オーバーラップ方式と呼ぶこととし、図１２にその概略を示す。
【００２０】
図１２を参照すると、バーニア・オーバーラップ方式におけるアレイの構成は前述の２バーニア分割方式（図１０参照）と同様であるので、これと同様の番号を付しその説明を省略する。バーニア・オーバーラップ方式では１ピングあたりＤ／４ずつ進行して送受信を行う。
【００２１】
即ち、まずピング１ではアジマス位置Ｓ１，１及びＳ１，２にて送受信信号が得られる。次に、このピング１よりＤ／４進行したピング２ではアジマス位置Ｓ２，１及びＳ２，２にて送受信信号が得られる。従って、ピング１におけるアジマス位置Ｓ１，２の送受信信号とピング２におけるアジマス位置Ｓ２，１の送受信信号とは同じアジマス位置における送受信信号となるため、この２つの送受信信号を相互相関処理することにより動揺量による変移量を検出でき、よって動揺補正が可能となる。
【００２２】
図１３はピング１，２のオーバーラップ点における位相・動揺補正の説明図である。同図（Ａ）はピング１の前方アレイ（バーニア）１１２による信号１３１の受信時刻ｔ１を示し、同図（Ｂ）はピング２の後方アレイ（バーニア）１１１による信号１３２の受信時刻ｔ２を示している。ピング１とピング２間には位相動揺があるため、受信時刻ｔ１とｔ２とは一致しない。そこで、前方アレイ１１２による受信信号１３１と後方アレイ１１１による受信信号１３２の相互相関を取ることにより、時間遅延および位相動揺を算出して動揺補正を行う。
【００２３】
同様に、ピング２におけるアジマス位置Ｓ２，２の送受信信号とピング３におけるアジマス位置Ｓ３，１の送受信信号とは同じアジマス位置における送受信信号となるため、この２つの送受信信号を相互相関処理することにより動揺補正が可能となる。
【００２４】
図１４はピング２，３のオーバーラップ点における位相・動揺補正の説明図である。同図（Ａ）はピング２の前方アレイ１１２による信号１３３の受信時刻ｔ３を示し、同図（Ｂ）はピング２の後方アレイ１１１による信号１３４の受信時刻ｔ４を示している。ピング２とピング３間にも動揺があるため、受信時刻ｔ３とｔ４とは一致しない。そこで、前方アレイ１１２による受信信号１３３と後方アレイ１１１による受信信号１３４の相互相関を取ることにより、時間遅延および位相動揺を算出して動揺補正を行う。
【００２５】
同図を見ても分かるようにバーニア・オーバーラップ方式ではＤ／４の高分解能と動揺補正機能を同時に実現できるが、空間サンプリング点をオーバーラップさせるため、１ピングあたりＤ／４ずつしか進行することができない。即ち、バーニア・オーバーラップ方式では、レンジを短くするか、実開口長Ｄを長くしない限り、通常の半分の進行速度しか得られないことになる。
【００２６】
即ち、図１２は２バーニア分割処理にオーバーラップ動揺補正を適用した方式である。アジマス分解能は通常の２倍で動揺補正が可能となるが、位相等価なオーバーラップ点を定義する必要上、速度が通常の半分に低下する。
【００２７】
なお、実開口アレイをオーバーラップさせて動揺補正を行う方式の他の例が特開平３−２１８４８５号公報、特開平９−２６４９５９号公報、特開平１１−３３７６３９号公報及び特開平１１−３４４５６５号公報に開示されている。
【００２８】
【発明が解決しようとする課題】
第１の問題点は、オーバーラップ方式による動揺補正を行う合成開口ソーナーは進行速度が遅くなるという点である。その理由は、実開口アレイを部分的にオーバーラップさせながら進行するため、通常のオーバーラップなしの場合に比べて１送受信あたりの進行距離が短くなるからである。
【００２９】
第２の問題点は、進行速度を速めようとすると、レンジが短くなる点である。その理由は、（１）のトレードオフに示されるように、Ｖ→大とするためにはＲ→小とする必要があるからである。Ｖ、Ｒが反比例関係にあれば、面積効率の向上にはならない。
【００３０】
第３の問題点は、進行速度を速めようとすると、実開口アレイが大型化し、空間分解能が低下する点である。その理由は、式（１）のトレードオフに示されるように、Ｖ→大とするためには（Ｄ／２）→大とする必要があるからである。ここで（Ｄ／２）は実開口アレイの長手方向長さであると共に、アジマス空間分解能を表す。実開口アレイの大型化はシステムの運用性を著しく損ね、空間分解能の低下は得られるマップ映像の品質劣化を意味する。
【００３１】
第４の問題点は、進行速度を速めようとすると、オーバーラップ方式による動揺補正処理が出来なくなる点である。その理由は、式（１）の等号条件の速度で進行する場合は実開口アレイにオーバーラップ部分が生成されないため、ピング間の動揺変移量を検出できないからである。
【００３２】
そこで本発明の目的は、レンジ、空間分解能を低下させず、動揺補正処理が行え、かつ進行速度を高速化する手法を提供することにある。また本発明の他の目的は、分解能を低下させることなくマルチルック（ｍｕｌｔｉ−ｌｏｏｋ）処理を行える手法を提供することにある。
【００３３】
【課題を解決するための手段】
前記課題を解決するために本発明による合成開口ソーナーは、複数個のバ−ニアに分割された実開口アレイを有する合成開口ソーナーであって、そのソーナーは前記合成開口ソーナーが一定距離進行する度に前記バ−ニアの各々から音響信号を送信しかつそのエコーを受信分離する送受信手段と、一定距離進行後と進行前とでオーバーラップする２個のバ−ニアから送受信される音響信号の相互相関処理を行う相互相関処理手段とを含むことを特徴とする。
【００３４】
本発明による合成開口ソーナーによれば、上記構成を有するためレンジ、空間分解能を低下させず、動揺補正処理が行え、かつ進行速度を高速化することが可能となる。
【００３５】
又、本発明による合成開口処理方法は、複数個のバーニアに分割された実開口アレイを有する合成開口処理方法であって、その方法は前記合成開口ソーナーが一定距離進行する度に前記バ−ニアの各々から音響信号を送信しかつそのエコーを受信分離する送受信ステップと、一定距離進行後と進行前とでオーバーラップする２個のバ−ニアから送受信される音響信号の相互相関処理を行う相互相関処理ステップとを含むことを特徴とする。
【００３６】
本発明による合成開口処理方法によれば、上述した合成開口ソーナーと同様の効果を奏する。
【００３７】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態について添付図面を参照しながら説明する。なお、以下の説明は２バーニアの場合で説明するが、２以上の分割についても同様の効果を期待できる。図１は本発明に係る合成開口ソーナーの最良の実施の形態の基本原理を示す図である。同図を参照すると、合成開口ソーナーの実開口アレイは後方バーニア１と前方バーニア２とに分割されている。そして、後方バーニア１と前方バーニア２はともに送受信機能を備えている。
【００３８】
又、送信については、受信処理により分離可能な２種類の送信波形（例えばＬＦＭであればアップチャ−プ（Ｕｐ−Ｃｈｉｒｐ）とダウンチャ−プ（ｄｏｗｎ−Ｃｈｉｒｐ）、ＰＣＭであれば異なる周波数帯域を用意する。図７はアップチャ−プ信号及びダウンチャ−プ信号の一例の波形図である。同図（Ａ）に示すようにアップチャ−プ信号とは周波数が徐々に上がる周波数変調信号をいい、同図（Ｂ）に示すようにダウンチャ−プ信号とは周波数が徐々に下がる周波数変調信号をいう。なお、用意した送信波形をＷａ（ｔ）、Ｗｂ（ｔ）とする。
【００３９】
次に、図１及び図４を参照しながら合成開口ソーナーの動作について説明する。図４は合成開口ソーナーの動作を示すフローチャートである。第１回目のピング（ｐｉｎｇ１）では、後方バーニア１からは波形Ｗａ（ｔ）を、前方バーニア２からは波形Ｗｂ（ｔ）をほぼ同時に送信する（図４のＳ１）。すると、送信された２種類の音響信号Ｗａ（ｔ）及びＷｂ（ｔ）は、水中にある探知目標１０２に当たって反射し、エコーとしてほぼ同時に実開口アレイへ戻ってくる。この際、２種類の波形Ｗａ（ｔ）及びＷｂ（ｔ）は加算されている。
【００４０】
そこで、各バーニア１，２は受信信号（即ち、加算された２波形のエコー）の受信・分離処理を行う（図４のＳ２）。受信処理は一般的に前置増幅器、バンドパスフィルター、アナログ・デジタル（Ａ／Ｄ）変換器等で構成される。波形分離処理は一般的にマッチドフィルター（遅延線整合フィルタ）等が用いられる。本発明の場合は受信信号と各送信波形Ｗａ（ｔ）及びＷｂ（ｔ）のレプリカ（ｒｅｐｌｉｃａ：複製）信号との相関処理により、加算された信号の分離が可能となる。受信・分離処理により送信波形Ｗ１（ｔ）及びＷ２（ｔ）のエコーは独立に分離され、１つのバーニアから２通り、前後バーニア合わせて４通りのエコーが得られる。
【００４１】
続いて、第２回のピング（ｐｉｎｇ２）ではＤ／２進行して同様の送受信処理を反復する（図４のＳ３）。ただし、プラットフォーム動揺の影響により、各バーニア中心と探知目標１０２との距離関係に計測不能の動揺誤差成分が含まれている。そこで、第１回ピング及び第２回ピング間の動揺誤差を検出するため、第１回目ピングの前方バーニア２の送受信信号と、第２回目ピングの後方バーニア１の送受信信号との相互相関処理を行う（図４のＳ４）。この結果、第１、第２ピング間の動揺変移量δに比例したタイムラグ（τ＝ｃ・δ）に相関ピークが検出される。このタイムラグに相当する時間遅延成分および位相成分を用いて第２回ピング受信信号に補正を行うことにより、両信号間の動揺誤差成分は除去される（図４のＳ５）。
【００４２】
以上のピング、動揺補正を反復することにより（図４のＳ６にてＹの場合）、ピング間動揺誤差成分の含まれない一連の送受信信号を得ることができる。そして、必要な数の送受信信号が得られた後は（図４のＳ６にてＮの場合）、通常のアジマス圧縮処理を行うことで合成開口処理映像を得ることができる。この結果、送信波形Ｗａ（ｔ）及びＷｂ（ｔ）の２つの独立な合成開口映像が得られるので、これらの２映像を加算し、最終的な合成開口映像とする。
【００４３】
即ち、図２及び図３の合成開口ソーナーの動作説明図に示すように、後方バーニア１と前方バーニア２がほぼ同時にＷａ（ｔ）波形（一例としてアップチャ−プ信号）及びＷｂ（ｔ）波形（一例としてダウンチャ−プ信号）を送信し、そのエコーを受信・分離することで、４つのエコーが得られる。前述のＤｉｓｐｌａｃｅｄ Ｐｈａｓｅ Ｃｅｎｔｅｒの関係から、この４つのエコーは、後方バーニア１の中点、実開口アレイの中点及び前方バーニア２の中点での送受信信号に位相等価である。この結果、１回のピングにより３点の空間サンプリングが実現でき、空間分解能は通常の合成開口処理の２倍の相当するＤ／４となる。
【００４４】
なお、図３はピング２における前方アレイ２が受信した信号１３５の受信時刻ｔ５と後方アレイ１が受信した信号１３６の受信時刻ｔ６との関係を示している。この信号１３５と信号１３６との相関を取ることにより、時間遅延および位相動揺を算出し、位相・動揺補正を行うことができる。
【００４５】
又、従来のバーニア処理との比較では、本発明によれば前方バーニア２の独立な送受信信号を得ることができる。従って、Ｄ／２進行して第２回目ピングを行っても、第１回目及び第２回目ピング間でオーバーラップするバーニア（すなわち第１回ピングでの前方バーニア２の送受信と第２回ピングでの後方バーニア１の送受信）が形成される。よってオーバーラップするこれらのバーニア間で相互相関処理を行うことでピング間動揺の検出・補正が可能となる。この結果、ピングあたりＤ／２ずつ進行する高速性と、空間分解能がＤ／４となる高分解能と、オーバーラップ方式による動揺補正機能とを全て同時に実現することが可能となる。
【００４６】
又、送信波形Ｗａ（ｔ）及びＷｂ（ｔ）による２つの独立な合成開口映像を加算することで、２ルックのマルチルック処理を行ったことになる。マルチルック処理により合成開口映像の小斑点（ｓｐｅｃｋｌｅ）ノイズが低減され、より高品質の映像が得られる。
【００４７】
次に、２ルックのマルチルック処理の概略を説明する。図５は２ルックのマルチルック処理の動作を示す説明図である。いま、後方アレイ１での受信信号をＳ（ａ）、前方アレイ２の受信信号をＳ（ｂ）で表示すると、後方アレイ１での受信信号はピング１がＳ（ａ）１，１とＳ（ａ）１，２、ピング２がＳ（ａ）２，１とＳ（ａ）２，２、ピング３がＳ（ａ）３，１とＳ（ａ）３，２となり、以下同様にピングＮ（Ｎは正の整数）がＳ（ａ）Ｎ，１とＳ（ａ）Ｎ，２となる。この受信信号Ｓ（ａ）のデータ列から波形Ｗａによる合成開口イメージが得られる
。
【００４８】
同様に、前方アレイ２での受信信号はピング１がＳ（ｂ）１，２とＳ（ｂ）１，３、ピング２がＳ（ｂ）２，２とＳ（ｂ）２，３、ピング３がＳ（ｂ）３，２とＳ（ｂ）３，３となり、以下同様にピングＮ（Ｎは正の整数）がＳ（ｂ）Ｎ，２とＳ（ｂ）Ｎ，３となる。この受信信号Ｓ（ｂ）のデータ列から波形Ｗｂによる合成開口イメージが得られる。
【００４９】
そして、Ｓ（ａ）による合成開口イメージとＳ（ｂ）による合成開口イメージを加算することでマルチルック合成開口イメージが得られるのである。
【００５０】
【実施例】
図６は本発明に係る合成開口ソーナーの一例の構成図である。なお、図１と同様の構成部分には同一番号を付しその説明を省略する。まず、第１実施例について説明する。図６を参照すると、合成開口ソーナーは後方バーニア１と前方バーニア２とからなる。そして、後方バーニア１及び前方バーニア２の後段にそれぞれ送受信部が配置され、更にこれらを結合する形で動揺補正処理部（位相補正処理部）４３，４４と、その後段にアジマス圧縮処理部５１，５２とが配置される
。
【００５１】
１１は送受切替回路で後方バーニア１と後段の回路の接続を適宜切り替える。１９以降は後方バーニア送信処理部で１９はパワーアンプ、１８はデジタル／アナログ変換器（ＤＡＣ）、１７はデジタルのバンドパスフィルタ（ＢＰＦ）、１５１は送信波形生成部で、アップチャ−プ信号のデジタル波形を生成、出力する。１２以降は後方バーニア受信処理部で、１２がプリアンプ、１３がアナログ／デジタル変換器（ＡＤＣ）、１４がデジタルのバンドパスフィルタ（ＢＰＦ）である。１５はアップチャ−プ信号によるマッチドフィルタ部（ＭＦ）で、送信波形生成部１５１で生成されたアップチャ−プ送信波形をレプリカ信号として用いている。１６はダウンチャ−プ信号によるマッチドフィルタであり、前方バーニア２の送信波形生成部２５１にて生成したダウンチャ−プ送信波形をレプリカ信号として用いる。
【００５２】
マッチドフィルタ１５及び１６で分離された受信信号は、ミキシング部（ＭＩＸ）３１及び３２でベースバンド信号に変換される。ここではオシレータ３３で生成したキャリアトーン信号ｆｃ（ｔ）をそれぞれ積算し、ローパスフィルタリングし、デシメーション（ｄｅｃｉｍａｔｉｏｎ）を行う。
【００５３】
２１は送受切替回路で前方バーニア２と後段の回路の接続を適宜切り替える。２９以降は前方バーニア送信処理部で２９はパワーアンプ、２８はデジタル／アナログ変換器（ＤＡＣ）、２７はデジタルのバンドパスフィルタ（ＢＰＦ）、２５１は送信波形生成部で、ダウンチャ−プ信号のデジタル波形を生成、出力する。２２以降は前方バーニア受信処理部で、２２がプリアンプ、２３がアナログ／ディジタル変換器（ＡＤＣ）、２４がデジタルのバンドパスフィルタ（ＢＰＦ）である。２５はダウンチャ−プ信号によるマッチドフィルタ（ＭＦ）で、２５１で生成されたダウンチャ−プ送信波形をレプリカ信号として用いている。２６はアップチャ−プ信号によるマッチドフィルタ（ＭＦ）であり、後方バーニア１の送信信号生成部１５１にて生成したアップチャ−プ波形をレプリカ信号として用いる。
【００５４】
マッチドフィルタ２５及び２６で分離された受信信号は、ミキシング部（ＭＩＸ）３４及び３５でベースバンド信号に変換される。ここではオシレータ３６で生成したキャリアトーン信号ｆｃ（ｔ）をそれぞれ積算し、ローパスフィルタリングし、デシメーションを行う。
【００５５】
波形メモリ４１は前方バーニア２のダウンチャ−プ信号を入力とし、相互相関処理部４２への出力を有する。相互相関処理部４２は波形メモリ４１及び後方バーニアアップチャ−プ信号を入力とし、処理結果を位相補正処理部４３及び４４へ出力する。位相補正処理部４３及び４４はそれぞれのマッチドフィルタ出力及び他方の位相補正処理部からの出力を入力とし、アップチャ−プ信号の処理結果はアジマス圧縮処理部５１へ、ダウンチャ−プ信号の処理結果はアジマス圧縮処理部５２へ出力する。
【００５６】
そして、アジマス圧縮処理部５１，５２の出力は映像化処理部５３で合成処理され、最終的な合成開口映像が得られる。なお、ＣＰＵ（Ｃｅｎｔｒａｌ Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ Ｕｎｉｔ）６１は各部の動作を制御する。
【００５７】
次に、図６を参照して合成開口ソーナーの動作について説明する。始めに送信信号生成部１５１及び２５１にてそれぞれの送信波形がほぼ同時に生成され、出力される。次に、その送信信号はＢＰＦ１７及び２７で所定の信号帯域外の成分が抑圧された後、ＤＡＣ１８及び２８でアナログ信号に変換され、さらにパワーアンプ１９及び２９で所定のレベルにまで増幅され、送受切替回路１１を介して各バーニアへ出力される。各バーニアは入力された電気信号を音響信号に変換して同時に水中へ放射する。この際、バーニアはリニアアレイであるため、放射される音響信号は空間指向性を有している。
【００５８】
２つのバーニアから出力された音響信号は水中を伝搬して探知目標１０２に反射し、エコーとなって各バーニアに戻る。この時、２つの送信波形は加算されている。エコーは各バーニアで音響−電気変換され送受切替回路１１及び１２へ出力され、送受切替回路１１，１２は信号を受信処理部１２以降及び２２以降へ出力する。受信信号はプリアンプ１２及び２２で所定レベルまで増幅され、ＡＤＣ１３及び２３でアナログ−デジタル変換され、ＢＰＦ１４及び２４で信号帯域外成分が抑圧される。その後受信信号はそれぞれ２分され、後方バーニア１の受信信号はマッチドフィルタ１５及び１６へ、前方バーニア２の受信信号はマッチドフィルタ部２５及び２６へ並行して出力される。
【００５９】
後方バーニア１のマッチドフィルタ１５は受信信号のアップチャ−プ成分を抽出する処理で、後方バーニア１の送信波形をレプリカ信号として受信信号との相互相関処理を行う。同様にマッチドフィルタ１６は受信信号のダウンチャ−プ成分を抽出する処理で、前方バーニア１の送信波形をレプリカ信号として受信信号との相互相関処理を行う。前方バーニア２のマッチドフィルタ２５及び２６も同様に、受信信号からアップ／ダウンチャ−プ信号をそれぞれ抽出する。
【００６０】
マッチドフィルタ１５，１６，２５，２６で分離されたそれぞれの信号は中心周波数ｆｃの狭帯域波形信号であるので、ミキシング部３１，３２，３４，３５でこれを０Ｈｚ中心に落とした上で、データのデシメーションを行う。この結果、後段の信号処理負荷が軽減される。
【００６１】
波形メモリ４１には、前回のピングで得られた前方バーニア２のダウンチャ−プ受信波形が記録・保持されている。相互相関処理部４２は、波形メモリ４１に記録された波形と、今回のピングで得られた後方バーニア１のアップチャ−プ受信波形との相互相関処理を行い、相関ピークが得られるラグタイムを検出する。得られたラグタイムは位相補正量として位相補正処理部４３及び４４へ並行して出力される。その後、波形メモリ４１の情報は今回のピングの前方バーニアのダウンチャ−プ受信波形に書き替えられる。
【００６２】
位相補正処理部４３及び４４では、それぞれの受信波形に対して、相互相関処理部４２で得られたラグタイム分の時間シフト及び位相シフト演算を行う。この結果、前回ピングと今回ピング間の時間及び位相シフト成分が受信信号から除去され、動揺補正がなされたことになる。
【００６３】
動揺補正がなされた後の受信信号は、アップチャ−プ信号及びダウンチャ−プ信号毎にアジマス圧縮処理部５１及び５２へ出力され、通常の合成開口処理と同様のアジマス圧縮が行われる。この結果、同じマップに対してアップ／ダウンチャ−プ信号に対応したそれぞれ独立の映像が２つ得られることになるので、映像化処理部５３で加算処理等を施すことで小斑点ノイズの低減等が期待できる。この動揺補正後の動作が前述した２ルックのマルチルック処理である。
【００６４】
次に、図６を参照して他の実施例について説明する。まず第２実施例について説明する。図６では後方バーニア１でアップチャ−プ信号、前方バーニア２でダウンチャ−プ信号を送信しているが、これを逆にして後方バーニア１でダウンチャ−プ信号を、前方バーニア２でアップチャ−プ信号をそれぞれ送信することが考えられる。この場合、波形メモリ４１には前方バーニアアップチャ−プ信号を保持し、相互相関処理部４２では後方バーニアダウンチャ−プ信号との相互相関処理を行う形態となる。
【００６５】
次に、第３実施例について説明する。第３実施例として、送受信信号としてアップ／ダウンチャ−プ信号といったＬＦＭ波形ではなく、周波数がステップ状に変化するコード変調波形を用いることが考えられる。この場合、レプリカ信号には当該送信波形を用いてマッチドフィルタ処理を行うことになる。
【００６６】
次に、第４実施例について説明する。第４実施例として、送受信信号としてアップ／ダウンチャ−プ信号といったＬＦＭ波形ではなく、帯域の異なる狭帯域ＰＣＭ波形を用いることが考えられる。この場合、受信処理部のマッチドフィルタが不要となるが、後段のアジマス圧縮処理におけるアジマス方向の空間レプリカ波形は通常のチャ−プ波形とはならない。従ってこの場合は、使用する周波数によって得られる空間レプリカ波形を予め予想、算出してマッチドフィルタ処理に適用する。
【００６７】
次に、第５実施例について説明する。第５実施例として、ミキシング部３１，３２，３４，３５をマッチドフィルタ１５、１６及び２５、２６の前段に配置することが考えられる。この場合、マッチドフィルタのレプリカ波形には、送信波形に同じミキシング処理を施した信号、もしくはそれと同等の０Ｈｚ中心の低データレート信号を用いる必要がある。
【００６８】
次に、第６実施例について説明する。第６実施例として、アジマス圧縮処理部を１つだけ有し、一方の送信波形にのみ対応した合成開口映像を生成する方式が考えられる。この場合、アジマス圧縮処理部は５１もしくは５２のいずれかであり、映像化処理部５３も必要とはならない。
【００６９】
次に、第７実施例について説明する。第７実施例として、２つの送信信号をほぼ同時に送信するのではなく、一方のバーニアが送信完了直後に続けて他方バーニアが送信を開始する方式が考えられる。この場合、送信波形はアップ／ダウンチャ−プ信号が加算されたものではなく、むしろアップ／ダウンチャ−プのタンデム（ｔａｎｄｅｍ：直列）送信波形として見ることもできる。処理系については図６とほぼ同様の構成で処理可能だが、アジマス圧縮処理における空間レプリカ波形は通常のチャ−プ波形とはならない点を考慮する必要がある。
【００７０】
【発明の効果】
本発明によれば、複数個のバ−ニアに分割された実開口アレイを有する合成開口ソーナーであって、そのソーナーは前記合成開口ソーナーが一定距離進行する度に前記バ−ニアの各々から音響信号の送受信を行う送受信手段と、一定距離進行後と進行前とでオーバーラップする２個のバ−ニアから送受信される音響信号の相互相関処理を行う相互相関処理手段とを含むため、レンジ、空間分解能を低下させず、動揺補正処理が行え、かつ進行速度を高速化することが可能となる。又、本発明による他の発明も上述した本発明と同様の効果を奏する。
【００７１】
具体的には、第１の効果は、進行速度を遅くすることなく高分解能の合成開口映像を得ることができる点である。その理由は、前方バーニア送受信信号を生成してオーバーラップ方式の動揺補正を行うことにより、１ピングあたりＤ／２ずつ進行しながらもピング間動揺補正を実現でき、動揺による分解能劣化を回避できるからである。またバーニア分割処理されているため、空間分解能も通常の２倍のＤ／４に向上しているためである。この結果、通常の合成開口処理と同等のマッピング効率（進行速度、レンジ）および実開口アレイ長を備えつつ、高分解能かつ動揺補正された合成開口映像を得ることができる。
【００７２】
第２の効果は、分解能を低下させることなく複数の独立な合成開口映像を得られる点である。その理由は、複数種類の送信信号を用いて受信処理で分離し、独立に合成開口処理を行うためである。このため、通常のマルチルック処理のように合成開口長を分割して短くする必要がなく、従って分解能の低下を免れることができる。
【００７３】
第３の効果は、装置の大型化を防ぐことができる点である。その理由は、バーニア分割方式は、現在知られている高分解能方式の中でも最も単純かつ処理量の少ない方式のひとつであり、他の複雑かつ高度な方式に比べて小さな装置規模で実現できるからである。同様にオーバーラップ方式は、現在知られている動揺補正方式の中でも最も単純かつ処理量の少ない方式のひとつであり、他の複雑かつ高度な方式に比べて小さな装置規模で実現できるからである。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る合成開口ソーナーの最良の実施の形態の基本原理を示す図である。
【図２】同合成開口ソーナーの動作説明図である。
【図３】同合成開口ソーナーの動作説明図である。
【図４】同合成開口ソーナーの動作を示すフローチャートである。
【図５】２ルックのマルチルック処理の動作説明図である。
【図６】同合成開口ソーナーの一例の構成図である。
【図７】アップチャ−プ信号及びダウンチャ−プ信号の一例の波形図である。
【図８】合成開口ソーナーの基本原理の説明図である。
【図９】従来の合成開口方式の基本原理の説明図である。
【図１０】従来の実開口アレイを２分割した２バーニア分割方式の基本原理の説明図である。
【図１１】ソーナーの動揺の説明図である。
【図１２】従来のバーニア・オーバーラップ方式の基本原理の説明図である。
【図１３】ピング１，２のオーバーラップ点における位相・動揺補正の説明図である。
【図１４】ピング２，３のオーバーラップ点における位相・動揺補正の説明図である。
【符号の説明】
１ 後方バーニア
２ 前方バーニア
１１、２１ 送受切替回路
１２，２２ プリアンプ
１３，２３ アナログ／デジタル変換器
１４，１７ バンドパスフィルタ
１５，１６ マッチドフィルタ部
１８、２８ Ｄ／Ａ変換器
１９、２９ パワーアンプ
２４，２７ バンドパスフィルタ
２５、２６ マッチドフィルタ部
３１，３２ ミキシング部
３３、３６ オシレータ
３４、３５ ミキシング部
４１ 波形メモリ
４２ 相互相関処理部
４３，４４ 位相補正処理部
５１、５２ アジマス圧縮処理部
５３ 映像化処理部
６１ ＣＰＵ
１５１，２５１ 送信波形生成部

Claims (16)

1. 複数個のバ−ニアに分割された実開口アレイを有する合成開口ソーナーであって、
   前記合成開口ソーナーが一定距離進行する度に前記バ−ニアの各々から音響信号を送信しかつそのエコーを受信分離する送受信手段と、一定距離進行後と進行前とでオーバーラップする２個のバ−ニアから送受信される音響信号の相互相関処理を行う相互相関処理手段とを含むことを特徴とする合成開口ソーナー。
2. さらに、一定距離進行する度に各々の前記バ−ニアで受信される音響信号をアジマス圧縮処理するアジマス圧縮処理手段を含むことを特徴とする請求項１記載の合成開口ソーナー。
3. 前記バ−ニアから送信される音響信号は受信処理により複数個に分離可能な音響信号で構成されることを特徴とする請求項１又は２記載の合成開口ソーナー。
4. 前記バ−ニアからの音響信号はほぼ同時に送信されることを特徴とする請求項１から３いずれかに記載の合成開口ソーナー。
5. 前記アジマス圧縮処理手段により前記バ−ニア毎の送信信号の独立した合成開口処理映像が得られることを特徴とする請求項２記載の合成開口ソーナー。
6. さらに、前記アジマス圧縮処理手段により得られた前記バ−ニア毎の合成開口処理映像を加算する映像化処理部を含むことを特徴とする請求項５記載の合成開口ソーナー。
7. 隣接する前記バーニアのうち各バーニアがそれぞれ異なる信号を送受信することを特徴とする請求項１から６いずれかに記載の合成開口ソーナー。
8. 隣接する前記バーニアのうち一方のバーニアが送信完了直後に続けて他方バーニアが送信を開始することを特徴とする請求項１から３いずれかに記載の合成開口ソーナー。
9. 複数個のバーニアに分割された実開口アレイを有する合成開口処理方法であって、
   前記合成開口ソーナーが一定距離進行する度に前記バ−ニアの各々から音響信号を送信しかつそのエコーを受信分離する送受信ステップと、一定距離進行後と進行前とでオーバーラップする２個のバ−ニアから送受信される音響信号の相互相関処理を行う相互相関処理ステップとを含むことを特徴とする合成開口処理方法。
10. さらに、一定距離進行する度に各々の前記バーニアで受信される音響信号をアジマス圧縮処理するアジマス圧縮処理ステップを含むことを特徴とする請求項９記載の合成開口処理方法。
11. 前記バ−ニアから送信される音響信号は受信処理により複数個に分離可能な音響信号で構成されることを特徴とする請求項９又は１０記載の合成開口処理方法。
12. 前記バ−ニアからの音響信号はほぼ同時に送信されることを特徴とする請求項９から１１いずれかに記載の合成開口処理方法。
13. 前記アジマス圧縮処理ステップにより前記バーニア毎の送信信号の独立した合成開口処理映像が得られることを特徴とする請求項１０記載の合成開口処理方法。
14. さらに、前記アジマス圧縮処理ステップにより得られた前記バーニア毎の合成開口処理映像を加算する映像化処理ステップを含むことを特徴とする請求項１３記載の合成開口処理方法。
15. 隣接する前記バーニアのうち、各バーニアがそれぞれ異なる信号を送受信することを特徴とする請求項９から１４いずれかに記載の合成開口処理方法。
16. 隣接する前記バーニアのうち一方のバーニアが送信完了直後に続けて他方バーニアが送信を開始することを特徴とする請求項９から１１いずれかに記載の合成開口処理方法。

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