JP2001099913A - 受波ビーム形成方法、受波ビーム形成装置およびマッチドフィルタ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】短パルスの受信波に対しても鋭いビームを感度
よく形成することができる受波ビーム形成方法を提供す
る。 【解決手段】 円筒形の受信アレイで９０°の範囲の６
０エレメントを使用して１つの受波ビームを形成する。
ビーム０を形成するエレメント０〜エレメント５９を前
後に２等分し２グループに分けて受波ビームを形成す
る。すなわち、ビーム方向に対して後ろの方のグループ
１（エレメント０〜エレメント８、エレメント５１〜エ
レメント５９）と前の方のグループ２（エレメント９〜
エレメント５０）に分け、グループ１の今回のスキャン
周期のサンプリングデータとグループ２の前回のスキャ
ン周期のサンプリングデータを用いて受波ビームを形成
することにより、短いパルス信号でも受信波が全アレイ
にかかるようにサンプリングすることができ、短いパル
スにおけるビーム形成の指向性、感度等を改善すること
ができる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】この発明は、ソナーや超音波
診断装置などにおいて、短パルスの受信波から受波ビー
ムを形成する受波ビーム形成方法、受波ビーム形成装置
およびマッチドフィルタに関する。

【０００２】

【従来の技術】超音波振動子であるエレメントを複数配
列した受信アレイを用いて受波ビームを形成する装置と
しては、各エレメント毎に遅延回路を接続した時間領域
ビームフォーマや各エレメント毎に位相シフト回路を接
続した周波数領域ビームフォーマが実用化されている。
これらの装置を使用すれば、短パルスの受信波に対して
も受波ビームを形成することができるが、大規模な回路
が必要になるため、比較的周波数が低い軍用など一部の
装置以外には使用されていない。

【０００３】一方、一般的に使用されるソナー装置など
では、全てのエレメントに個別に遅延回路などを接続す
ることは装置の規模やコストなどの問題から不可能であ
るため、各エレメントが受信した信号を所定の周期ごと
に順次サンプリングし、このサンプリングデータを用い
てビームを形成するようにしている。したがって、各エ
レメントの受信信号を継続的に監視することができない
ため、受信アレイ全体（少なくとも受波ビーム形成に用
いられる全てのエレメント）に一様に受信波がかかるほ
どパルス幅が長いものであることを前提として受波ビー
ムを形成している。この方式の例として、アナログの移
相器方式、複素ＤＦＴによる方式、マッチドフィルタ方
式などがある。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】しかし、上記のように
受信アレイ全体に一様に受信波がかかることを前提とし
た装置では、受信波のパルス幅が短くなり、受波ビーム
の形成に必要なエレメントに同時に受信波が入力されな
いとビーム形成の性能は著しく低下する。

【０００５】一方、たとえば海底探査ソナーにおいて高
精度に海底検出するためには、送信パルス幅を短くして
受信波（反射エコー）のパルス幅を短くする必要があ
る。また、海底探査ソナー以外の一般のソナーや超音波
診断装置においても同様に、高分解能を得るために短パ
ルス化やＦＭ変調によるパルス圧縮が行われるようにな
り、上記従来の受波ビーム形成方式では性能の低下が問
題になる。

【０００６】図１９、図２０を参照して一般的な受信ア
レイに短パルス波が到来したときの状態を説明する。図
１９は一部切欠の円筒形受信アレイを示している。この
受信アレイは、たとえば半径：１２５ｍｍで１．５°お
きに１６０個のエレメントを配置したものであり、アレ
イ範囲は１．５×１５９＝２３８．５°になる。この受
信アレイの受信波を処理する受信回路は、約９０°の範
囲の６０個のエレメントを用いて１ビームを形成し、
１．５°ごとに１０１個のビームを形成して、１５０°
の範囲にビームをスキャンすることができる。

【０００７】ここで、受信波が３２０ｋＨｚであるとす
ると、アレイの一番前面（ビーム方向に一番近いアレ
イ）とアレイの一番後方では約７．５波長の距離があ
る。受信波が短パルス波であり６周期分のパルス幅しか
ない場合には、図１９に示すようにその方向のビーム形
成に必要な９０°範囲のアレイに同時に受信波がかかる
ことはなく、全アレイを使用した受波ビームの形成がで
きない。

【０００８】また、図２０は、直線状にエレメントを配
列したリニアアレイの例を示している。このリニアアレ
イは、０．５波長ごとに８０素子のエレメントを配置し
たものである。アレイのほぼ正面から受信波が到来した
場合には、それの受信波が６周期程度の短パルスであっ
ても受信波は同時に全アレイにかかる。しかし、この短
パルスの受信波が−６０°の角度から到来した場合に
は、リニアアレイのごく一部にしか同時に受信波がかか
らず、ビーム形成の性能すなわちビーム幅、感度などが
著しく低下する。

【０００９】この発明は、上記課題に鑑み、短パルスの
受信波やパルスの立ち上がり時や立ち下がり時に発生す
る一様でない受信波に対しても鋭いビームを感度よく形
成することができる受波ビーム形成方法、受波ビーム形
成装置およびマッチドフィルタを提供することを目的と
する。

【００１０】

【課題を解決するための手段】請求項１の発明は、円弧
状に配列された複数の超音波振動子を、受波ビーム形成
方向における位置に応じて複数のブロックに分割し、各
超音波振動子が受信した信号の各々を、所定のスキャン
周期で繰り返しサンプリングし、各ブロック毎にそれぞ
れ別のスキャン周期のサンプリングデータを選択し、選
択されたサンプリングデータに基づいて受波ビームを形
成することを特徴とする。

【００１１】ここで、スキャン周期とは、前記円弧状に
配列された（または後述の直線状に配列された）複数の
超音波振動子が受信した信号を各１回とおりサンプリン
グする周期である。

【００１２】請求項２の発明は、請求項１の発明におい
て、前記複数の超音波振動子が受信する信号は、前記円
弧に配列された複数の超音波振動子の受波ビーム形成方
向における長さよりも短いパルス信号であることを特徴
とする。

【００１３】請求項３の発明は、請求項１の発明におい
て、前記複数の超音波振動子が受信する信号は、徐々に
振幅が大きくなってゆく増加波または徐々に振幅が小さ
くなってゆく減衰波であることを特徴とする。

【００１４】請求項４の発明は、円周状に配列された複
数の超音波振動子から一部円弧状の超音波振動子を選択
して、請求項１に記載の円弧状に配列された複数の超音
波振動子とし、前記一部円弧状の超音波振動子の選択を
順次切り換えることにより受波ビーム形成方向を回転さ
せることを特徴とする。

【００１５】請求項５の発明は、線状に配列された複数
の超音波振動子を複数のブロックに分割し、各超音波振
動子が受信した信号の各々を、所定のスキャン周期で繰
り返しサンプリングし、各ブロック毎に別のスキャン周
期のサンプリングデータを選択し、選択されたサンプリ
ングデータに基づいて所定方向に受波ビームを形成する
ことを特徴とする。

【００１６】請求項６の発明は、請求項５の発明におい
て、前記複数の超音波振動子が受信する信号は、前記線
状に配列された複数の超音波振動子の前記所定方向から
見た奥行きよりも短いパルス信号であることを特徴とす
る。

【００１７】請求項７の発明は、請求項５の発明におい
て、前記複数の超音波振動子が受信する信号は、徐々に
振幅が大きくなってゆく増加波または徐々に振幅が小さ
くなってゆく減衰波であることを特徴とする。

【００１８】請求項８の発明は、請求項５〜７の発明に
おいて、前記受波ビーム形成方向の前記線状に配列され
た複数の超音波振動子に対する角度に応じて各ブロック
毎のスキャン周期の選択を変更することを特徴とする。

【００１９】請求項９の発明は、線状に配列された複数
の超音波振動子が受信した信号を所定のスキャン周期で
サンプリングしたサンプリングデータを入力し、該サン
プリングデータを複数スキャン周期分記憶し、前記複数
の超音波振動子を複数のブロックに分割し、各ブロック
毎にそれぞれ別のスキャン周期のサンプリングデータを
読み出し、各サンプリングデータを移相することによっ
て、所定のサンプリング面の連続したサンプリングデー
タ列を形成し、該サンプリングデータを用いて所定方向
に受波ビームを形成することを特徴とする。

【００２０】請求項１０の発明は、円弧状に配列された
複数の超音波振動子を有する受信トランスデューサの各
超音波振動子が受信したエコー信号を、該超音波振動子
の数よりも少ない系統に多重化するマルチプレクサと、
各系統において各超音波振動子のエコー信号の各々を、
所定のスキャン周期で繰り返しサンプリングして複素サ
ンプリングデータを出力するＡＤ変換器と、前記複数の
超音波振動子を受波ビーム形成方向における位置に応じ
て複数のブロックに分割し、各ブロック毎にそれぞれ別
のスキャン周期のサンプリングデータを選択し、選択さ
れた各複素サンプリングデータを用いて前記受波ビーム
形成方向の受波ビームを形成する信号処理部と、を備え
たことを特徴とする。

【００２１】請求項１１の発明は、請求項１０の発明に
おいて、前記受信トランスデューサは、円周状に配列さ
れた複数の超音波振動子からなり、前記信号処理部は、
一部円弧状の超音波振動子を選択して前記円弧状に配列
された複数の超音波振動子とし、前記一部円弧状の超音
波振動子の選択を順次切り換えることにより受波ビーム
形成方向を回転させることを特徴とする。

【００２２】請求項１２の発明は、円周状に配列された
複数の超音波振動子から一部円弧状の超音波振動子を選
択し、該円弧の中心方向の受波ビーム形成を形成するマ
ッチドフィルタであって、「前記円周状に配列された複
数の超音波振動子の個数×（ｎ−１）＋前記一部円弧状
の超音波振動子の個数」の段数を有し、前記円周状に配
列された複数の超音波振動子から順次複数のスキャン周
期分入力される信号列を、第ｎ周期の信号列、第ｎ−１
周期の信号列、…、第２周期の信号列、第１周期のうち
前記前記一部円弧状の信号列、の順に記憶するシフトレ
ジスタと、前記一部円弧状の超音波振動子を前記受波ビ
ーム形成方向における位置に応じてｎ個のブロックに分
割し、ビーム方向に最も近いブロックの超音波振動子の
信号は第ｎ周期の信号列から取り出し、ビーム方向に２
番目に近いブロックの超音波振動子の信号は第ｎ−１周
期の信号列から取り出し、…、ビーム方向から２番目に
遠いブロックの超音波振動子の信号は第２周期の信号列
から取り出し、ビーム方向から最も遠いブロックの超音
波振動子の信号は第１周期の信号列から取り出して、そ
れぞれ対応する係数を乗算する複数の乗算器と、各乗算
器の乗算結果を加算して相関データとして出力する加算
器と、を備えたことを特徴とする。

【００２３】請求項１３の発明は、一部切欠円周状に配
列された複数の超音波振動子から一部円弧状の超音波振
動子を選択し、該円弧の中心方向の受波ビーム形成を形
成するマッチドフィルタであって、前記一部切欠円周状
に配列された複数の超音波振動子の段数を有するｎ個の
シフトレジスタ、および、前記一部円弧状の超音波振動
子の段数を有するシフトレジスタを並列に接続して、前
記一部切欠円周状に配列された複数の超音波振動子から
順次複数のスキャン周期分入力される信号列を、第ｎ＋
１周期の信号列、第ｎ周期の信号列、第ｎ−１周期の信
号列、…、第２周期の信号列、第１周期のうち前記前記
一部円弧状の超音波振動子の信号列、の順に各スキャン
周期の信号列毎に各シフトレジスタ間を並列にロードし
ながら記憶し、前記一部円弧状の超音波振動子を前記受
波ビーム形成方向における位置に応じてｎ個のブロック
に分割し、ビーム方向に最も近いブロックの超音波振動
子の信号は第ｎ周期の信号列から取り出し、ビーム方向
に２番目に近いブロックの超音波振動子の信号は第ｎ−
１周期の信号列から取り出し、…、ビーム方向から２番
目に遠いブロックの超音波振動子の信号は第２周期の信
号列から取り出し、ビーム方向から最も遠いブロックの
超音波振動子の信号は第１周期の信号列から取り出し
て、それぞれ対応する係数を乗算する複数の乗算器と、
各乗算器の乗算結果を加算して相関データとして出力す
る加算器と、を備えたことを特徴とする。

【００２４】請求項１４の発明は、請求項１２、１３の
発明において、前記複数の超音波振動子から入力される
信号列は複素サンプリングデータ列であり、前記シフト
レジスタを信号列の実数部データ用および虚数部データ
用に２系統備え、前記複数の乗算器および加算器を、実
数部データ×実数部係数用、虚数部データ×虚数部係数
用、実数部データ×虚数部係数用、虚数部データ×実数
部係数用の４系統備え、実数部データ×実数部係数の加
算結果および虚数部データ×虚数部係数の加算結果を減
算することによって相関値の実数部を割り出し、実数部
データ×虚数部係数の加算結果および実数部データ×虚
数部係数の加算結果を加算することによって相関値の虚
数部を割り出す出力部と、を備えたことを特徴とする。

【００２５】請求項１５の発明は、請求項１２〜１４の
発明において、それぞれ異なる距離に受波ビームの焦点
が結ぶよう前記係数を複数組備えたことを特徴とする。

【００２６】請求項１６の発明は、線状に配列された複
数の超音波振動子が受信した信号を所定のスキャン周期
でサンプリングしたサンプリングデータを入力し、該サ
ンプリングデータを複数スキャン周期分記憶する記憶手
段と、前記複数の超音波振動子を複数のブロックに分割
し、各ブロック毎にそれぞれ別のスキャン周期のサンプ
リングデータを前記記憶手段から読み出し、読み出した
各サンプリングデータを用いて所定方向に受波ビームを
形成するビーム形成手段と、を備えたことを特徴とす
る。

【００２７】請求項１７の発明は、請求項１６の発明に
おいて、前記受波ビーム形成方向の前記直線に対する角
度に応じて各ブロック毎のスキャン周期の選択を変更す
ることを特徴とする。

【００２８】請求項１８の発明は、請求項１６、１７の
発明において、前記ビーム形成手段は、読み出した各サ
ンプリングデータと所定の係数とを乗算することによっ
て所定方向に受波ビームを形成するマッチドフィルタで
あり、該マッチドフィルタは、それぞれ異なる距離に受
波ビームの焦点が結ぶ複数組の係数を備えたことを特徴
とする。

【００２９】請求項１９の発明は、線状に配列された複
数の超音波振動子が受信した信号を所定のスキャン周期
でサンプリングしたサンプリングデータを入力し、該サ
ンプリングデータを複数スキャン周期分記憶する記憶手
段と、前記複数のスキャン周期のサンプリングデータを
移相または補間することによって、所定角度のサンプリ
ング面の連続したサンプリングデータ列を形成するサン
プリング面生成手段と、該サンプリングデータを用いて
所定方向に受波ビームを形成するビーム形成手段と、を
備えたことを特徴とする。

【００３０】請求項２０の発明は、複数の超音波振動子
が受信した信号の各々を、所定のスキャン周期で繰り返
しサンプリングし、複数のスキャン周期でサンプリング
したサンプリングデータに基づいて受波ビームを形成す
ることを特徴とする。

【００３１】≪≪原理の説明≫≫この発明の原理を図１
〜図５を参照して説明する。

【００３２】図１は円筒形の受信アレイを用いた受信回
路に本願発明を適用する場合を示す図である。この受信
アレイは、上記従来技術で示したものと同様の半径１２
５ｍｍで１．５°おきの１６０個のエレメント（超音波
振動子）で構成された円筒形の受信アレイの一部であ
る。受信回路は、約９０°の範囲の６０エレメントを使
用して１つの受波ビームを形成する。したがって、受信
回路は、エレメント０〜エレメント５９を用いたビーム
０から、エレメント１００〜エレメント１５９を用いた
ビーム１００までの１０１個のビームを順次形成する。
図１にはビーム０を形成するエレメント０〜エレメント
５９を示している。ビームは右回りに形成され、ビーム
０が最初に形成される。ビーム方向を０°すると、ビー
ム０の場合、±０．７５°の位置に先端のエレメント２
９，３０があり、＋４４．２５°の位置にエレメント
０、−４４．２５°の位置にエレメント５９がある。

【００３３】受信波の周波数を３２０ｋＨｚ、水中の音
速を１５００ｍ／ｓとすると、一番前のエレメント２
９，３０と一番後のエレメント０，５９とは受波ビーム
形成方向において約７．５波長分の距離があり、ビーム
方向から到来する受信波が一番後のエレメント０，５９
に達したとき、その受信波は７．５波長の距離の伝搬時
間（７．５周期）前に一番前のエレメント２９，３０を
通過している。所定のスキャン周期たとえば４波長毎に
サンプリングされたサンプリングデータでビームを形成
する場合には、前後７．５波長の範囲に配置されている
エレメントを前後に２等分し２グループに分けて受波ビ
ームを形成する。すなわち、ビーム方向に対して後ろの
方のグループ１（エレメント０〜エレメント８、エレメ
ント５１〜エレメント５９）と前の方のグループ２（エ
レメント９〜エレメント５０）に分け、グループ１の今
回のスキャン周期におけるサンプリングデータとグルー
プ２の前回のスキャン周期におけるサンプリングデータ
を用いて受波ビームを形成することにより、６波長程度
の短いパルス信号でも受信波が全アレイにかかるように
して受波ビームを形成することができ、短いパルスにお
けるビーム形成の指向性、感度等を改善することができ
る。

【００３４】なお、図１はサンプリングをエレメント０
からエレメント１５９に向けて順次行う、いわゆる斜め
サンプリングの場合を示しており、この斜めサンプリン
グのタイミングに最適化したグループ分けは、エレメン
ト番号が大きくなるほどサンプリングタイミングが遅れ
るため、グループ１（エレメント０〜エレメント９、エ
レメント５３〜エレメント５９）、グループ２（エレメ
ント１０〜エレメント５２）となる。

【００３５】また、図１ではエレメントを前後に２グル
ープ（２ブロック）に分割したが、分割数は２に限定さ
れるものではなく、任意の正の整数ｎに分割することが
可能であり、その場合にはそれぞれ別のスキャン周期の
サンプリングデータを選択すればよい。

【００３６】図２はリニアアレイを用いた受波ビームの
形成に本願発明を適用する場合を示す図である。このリ
ニアアレイは、上記従来技術で説明したものと同様、
０．５波長ごとに８０のエレメントを直線状に配列した
ものである。同図は、左側の素子から１０素子ずつ階段
状にＩ，Ｑサンプリングを行う処理を４波長のスキャン
周期で１５周期（Ｎ−７〜Ｎ＋７）繰り返した場合のサ
ンプリングタイミングのチャートを示している。同図に
おいて−６０°から到来する受信波を例示しているが、
この受信波に対して、全エレメントにわたって同じスキ
ャン周期のサンプリングデータを用いて受波ビームを形
成するのでなく、１０素子ずつスキャン周期をずらし、
図中太線で示すサンプリングデータを用いてビームフォ
ームすることにより、受信波が同時にかかっている幅を
ＡからＢに大きく広げることができ、ビーム形成の性能
を改善できる。

【００３７】そこで、図３に示すように、単一のスキャ
ン周期で得られるサンプリングデータ列に対してマッ
チドフィルタを適用するだけでなく、アレイを複数エリ
ア（同図では８エリア）に分割し、各エリアごとに異な
るスキャン周期のサンプリングデータを用いることによ
り、、、、のように様々な方向に向いたサンプ
リングデータ列を生成することができる。ビーム方向に
よって適当なサンプリングデータ列を選択することによ
り、受信波が短パルスであってもビーム形成の性能を改
善できる。リニアアレイであっても、１００°前後の範
囲でビーム形成されるため、各ビームの角度（ビーム番
号）に合わせて各エリアのスキャン周期の組み合わせ
（サンプリングデータ列）を決定することにより、全て
のビームについてビーム形成の性能を改善することが可
能である。

【００３８】具体的に、−５９．２５°（ビーム０）〜
＋５９．２５°（ビーム７９）の範囲で１．５°ごとに
８０個のビームを形成する場合を考える。図３におい
て、サンプリングデータ列の方向は−５６．３°、サ
ンプリングデータ列の方向は−３５．０°、サンプリ
ングデータ列の方向は＋５．７°、サンプリングデー
タ列の方向は＋４１．２°、サンプリングデータ列
の方向は＋５９．５°になっている。サンプリングデー
タ列とサンプリングデータ列の中間値−４５．６４
°よりマイナスのビーム番号は、サンプリングデータ列
のデータを使用してビーム形成するようにする。以下
同様に、隣り合うサンプリングデータ列の角度の中間で
ビームを分けると、ビーム番号と適用するサンプリング
データ列の関係は、以下のようになる。

【００３９】 ビーム ０（-59.25°）〜ビーム ９（-45.75°）：サンプリングデータ列 ビーム１０（-44.25°）〜ビーム２９（-15.75°）：サンプリングデータ列 ビーム３０（-14.25°）〜ビーム５５（+23.25°）：サンプリングデータ列 ビーム５６（+24.75°）〜ビーム７３（+50.25°）：サンプリングデータ列 ビーム７４（+51.75°）〜ビーム７９（+59.75°）：サンプリングデータ列 となる。

【００４０】図４は、さらに、各スキャン周期と次のス
キャン周期との間に補間によって新たなサンプリングデ
ータを生成した場合のタイミングチャートを示す図であ
る。上記複数のスキャン周期のデータを用いたサンプリ
ングデータ列の生成方式をさらに改善するためには、４
波長で繰り返した斜め階段状のサンプリングをより速い
スキャン周期で、たとえば２波長で繰り返すようにすれ
ばよいが、装置の多重化処理の都合などで４波長よりも
短くできない場合がある。このような場合には、同図に
示すように、実際のスキャン周期は、そのままとして各
スキャン周期間の補間を行って４波長の中間のサンプリ
ングデータを生成し、サンプリングデータ列の方向を増
やしたり、その方向を最適化すればよい。なお、図３の
サンプリングデータ列〜サンプリングデータ列の方
向は、種々の角度のサンプリングデータ列を生成可能で
あることを示すための例示であり、ビーム方向の範囲に
応じて適宜最適なものを選択すればよい。

【００４１】また、ここでは各スキャン周期のサンプリ
ングデータを斜め階段状のサンプリングデータの場合に
ついて説明したが、斜め連続のサンプリングデータや全
エレメントを同時にサンプリングした平行サンプリング
データの場合でも同様にこの発明を適用可能である。

【００４２】次に、図５を参照してリニアアレイを用い
た受信回路において、複素ＤＦＴを用いた受波ビームの
形成を改善する方法について説明する。従来は、スキャ
ン周期Ｎのサンプリングデータ列のみを用いて複素ＤＦ
Ｔを行い、受波ビームを形成していたが、この方式で
は、６波長程度の短い受信波が−６０°から到来した場
合、同図の範囲Ａのアレイしか同時に信号が入力されず
ビーム形成の性能は低下する。

【００４３】一方、サンプリングデータは、位相と振幅
の両方の情報を持っており、信号の帯域幅が広くない
（広くても中心周波数に対して±２０％程度の）ソナー
信号などの場合、サンプリングデータの補間計算等によ
って各サンプリングデータを前後にシフトすることが可
能で、複数のスキャン周期のサンプリングデータを適宜
選択して任意の角度のサンプリング面のサンプリングデ
ータ列を生成することができる。図５に示すように−４
５°のサンプリング面のサンプリングデータ列を生成す
れば、−６０°から到来した６波長の受信波は同図の範
囲Ｂで同時に信号が受信されていることになり、受波ビ
ームの形成をこのサンプリングデータ列で行えばスキャ
ン周期Ｎのみのサンプリングデータ列を用いた場合より
もビーム形成の精度が改善される。

【００４４】

【発明の実施の形態】図６はこの発明の実施形態である
海底探査ソナーのブロック図、図７は同海底探査ソナー
のトランスデューサの設置形態を示す図、および、同ト
ランスデューサが形成する送波ビーム、受波ビームを示
す図である。

【００４５】まず、図７において、送信トランスデュー
サ１１、受信トランスデューサ１２２はともに、複数の
超音波振動子エレメントを１列に配列した超音波振動子
アレイからなっている。送信トランスデューサ１１は、
振動子の配列方向が船首，船尾方向になるように船底に
設置され、受信トランスデューサ１２は、振動子の配列
方向が船側方向になるように船底に設置される。

【００４６】船底には、上記送信トランスデューサ１
１、受信トランスデューサ１２からなるトランスデュー
サ部１のほかに、送信トランスデューサ１１に超音波の
バースト信号を印加するとともに、反射エコーを受信し
てデジタルサンプリングデータに変換する送受信部２が
設けられる。そして、船室には、演算処理部３が設けら
れる。演算処理部は、送受信部２から伝送入力されたサ
ンプリングデータに基づいて受波ビームの形成および海
底検出等を行う。

【００４７】送受信部２の送信回路２６は、送信トラン
スデューサ１１の各エレメントに対してパルス信号を印
加する。送信トランスデューサ１１の各エレメントは、
このパルス信号によって駆動され、超音波信号を海中に
送出する。送信回路２６は、３２０ｋＨｚの信号を発振
する発振器を内蔵しており、送波ビームが図７（Ｂ）に
示すように船体の真下に扇形に形成されるように各エレ
メント毎にタイミングを制御してパルス信号を印加す
る。このようにして形成される送波ビームは、前後１．
５°、左右１７０°程度の扇形である。このソナー装置
では距離検出精度を向上するためめ各エレメントに入力
されるパルス信号のパルス幅は、３２０ｋＨｚで６波程
度である。このように真下にビームが形成されるため、
船が動いていても殆どドップラ効果の影響がなく、海底
からの反射エコーは送信時と同じ３２０ｋＨｚのバース
ト波となる。

【００４８】受信トランスデューサ１２は、図８に示す
ように１６０個のエレメントを円周上に配置した円筒形
状になっている。この受信トランスデューサ１２に接続
されている送受信部２および演算処理部３は、各エレメ
ントが受信した反射エコーをサンプリングし、マッチド
フィルタでリファレンスと比較することによって、図７
（Ｂ）に示すような前後２０°、左右１．５°程度の受
波ビームを形成する。この受波ビームを高速に右から左
にスキャンさせ、このスキャンを１回のパルス送信に対
して何度も繰り返して行うことにより海底探査を行う。
図８において、受信トランスデューサ１２は、半径１２
５ｍｍの円筒形状であり、１．５°間隔で１６０個の超
音波振動子エレメントが配列されているため、中心角２
３８．５°で円筒の一部が切り欠かれた形状になってい
る。

【００４９】受信トランスデューサ１２の各エレメント
が受信した信号は送受信部２に入力される。送受信部２
では、各エレメントが受信した信号を別々のプリアンプ
１３で増幅するとともに、フィルタ１４でろ波し、ＴＶ
Ｇアンプ１５で増幅する。フィルタ１４は、送信トラン
スデューサ１１から送信された超音波ビームの周波数
（３２０ｋＨｚ）付近の周波数以外を除去するバンドパ
スフィルタである。上述したように反射エコー信号はほ
ぼ３２０ｋＨｚの狭帯域の信号であり、このバンドパス
フィルタにより、帯域外の超音波機器の信号や帯域外シ
ーノイズ等のノイズが除去される。

【００５０】ＴＶＧアンプ１５は、時間可変ゲインアン
プであり、送信トランスデューサ１１がバースト波を発
射したのち時間が経過するとともにゲインを上昇させて
ゆくアンプである。これはバースト波を発射してから時
間が経過するとともに遠くで反射し、伝搬距離が長く信
号レベルの小さい反射エコーを受信する必要があるた
め、これに対応してゲインを高くしてゆくものである。
ＴＶＧアンプ１５の後段にはこのＴＶＧアンプ１５のノ
イズを除去するための簡略なフィルタ１６が介挿入され
ている。こののち、マルチプレクサ１７により、１６０
エレメントの信号が１０系統に時分割多重化される。第
ｋ（＝０〜９）マルチプレクサには、１０ｎ（＝０〜１
５）＋ｋの信号が入力される。すなわち、第０マルチプ
レクサにはエレメント０，１０，２０，…１４０，１５
０の信号が入力され、第１マルチプレクサにはエレメン
ト１，１１，２１，…，１４１，１５１の信号が入力さ
れ、…、第９マルチプレクサにはエレメント９，１９，
２９，…１４９，１５９の信号が入力される。第０〜第
９マルチプレクサは、同期して全て同じタイミングに入
力信号の選択ｎを順次切り換えてゆく。

【００５１】１０系統に多重化された反射エコー信号
は、再度ＴＶＧアンプ１８で増幅される。一般的なＴＶ
Ｇアンプはゲイン制御範囲が４０ｄＢ程度であり、広い
範囲の海底探査を行おうとすれば４０ｄＢ以上のＴＶＧ
範囲を必要とするため、このようにＴＶＧアンプを２段
にしている。

【００５２】ＴＶＧアンプ１８で増幅された信号は、Ａ
Ｄ変換器１９によってサンプリングされデジタルサンプ
リングデータに変換される。ＡＤ変換器１９のサンプリ
ングタイミングおよびマルチプレクサ１７の切換タイミ
ングは、前記送信回路の発振器が発振する信号に基づい
て作成される。すなわち、送信パルス（反射エコー信
号）の周波数と、マルチプレクサ切換タイミングおよび
サンプリングタイミングとは完全に同期している。

【００５３】図９は、ＡＤ変換器１９のサンプリングタ
イミングを説明する図である。

【００５４】後段の演算処理部では、反射エコー信号を
複素データとして処理するため、サンプリングにおいて
複素データ化しておくことが望ましい。しかし、実数値
信号にｃｏｓ信号、ｓｉｎ信号をミキシングして実部
Ｉ、虚部Ｑの信号に分離し、別々にサンプリングするこ
とは、回路構成が複雑化するとともに、位相ずれなどに
よる測定誤差を招く原因になる。

【００５５】そこで、この装置では、受信した反射エコ
ー信号の周波数が安定しており、サンプリングクロック
がこれに完全に同期していることを利用し、９０°の位
相差で２回サンプリングすることによって一方を実部
（Ｉｎ−ｐｈａｓｅ）のデータとし、他方を虚部（Ｑｕ
ａｄｒａｔｕｒｅ）のデータとして用いることにより、
複素サンプリングデータを生成するようにしている。さ
らに、この装置では、反射エコー信号を９０°の位相差
で４回（０°、９０°、１８０°、２７０°）サンプリ
ングし、０°サンプリングデータと１８０°サンプリン
グデータを組み合わせ、且つ、９０°サンプリングデー
タと２７０°サンプリングデータを組み合わせることに
よって反射エコー信号のＤＣバイアス成分を除去するよ
うにしている。

【００５６】また、上記のように１６０エレメントの信
号を時分割で１０系統に多重化しているため、各系統
は、１６のエレメントを担当することになる。各系統で
は、反射エコーの周波数３２０ｋＨｚの１波長（１λ）
の時間に４エレメントの信号をサンプリングし、４波長
で１６エレメントの信号をサンプリングするようにして
いる。

【００５７】図９を参照してサンプリングタイミングに
ついて詳細に説明する。ＡＤ変換器ＡＤ０にはマルチプ
レクサ１６を介してエレメント１０ｎ＋０，（ｎ＝０，
１，…，１５：以下同じ）の信号が選択的に入力され
る。また、ＡＤ変換器ＡＤ１にはマルチプレクサ１６を
介してエレメント１０ｎ＋１の信号が選択的に入力され
る。同様にＡＤ変換器ＡＤｋ，（ｋ＝０，１，…，９：
以下同じ）には、エレメント１０ｎ＋ｋの信号が選択的
に入力される。各ＡＤ変換器は１／１６λ（０．１９５
６２５μ秒）毎に入力信号をサンプリングする。したが
って１λの間に１６回サンプリングが行われる。

【００５８】最初の１波長の間、各ＡＤ変換器ＡＤｋ
は、エレメントｋ、エレメント１０＋ｋ、エレメント２
０＋ｋ、エレメント３０＋ｋを１サンプリング毎に切り
換えて４回ずつサンプリングする。これにより、各エレ
メントの信号は、１／１６λ×４＝１／４λ、すなわち
９０°の間隔で４回サンプリングされることになるた
め、各エレメント毎に（相対的に）０°、９０°、１８
０°、２７０°の４つのデータを得ることができる。

【００５９】次の１波長の間、各ＡＤ変換器ＡＤｋは、
エレメント４０＋ｋ、エレメント５０＋ｋ、エレメント
６０＋ｋ、エレメント７０＋ｋを１サンプリング毎に切
り換えて４回ずつサンプリングする。さらに次の１波長
の間、各ＡＤ変換器ＡＤｋは、エレメント８０＋ｋ、エ
レメント９０＋ｋ、エレメント１００＋ｋ、エレメント
１１０＋ｋを１サンプリング毎に切り換えて４回ずつサ
ンプリングする。さらに次の１波長の間、各ＡＤ変換器
ＡＤｋは、エレメント１２０＋ｋ、エレメント１３０＋
ｋ、エレメント１４０＋ｋ、エレメント１５０＋ｋを１
サンプリング毎に切り換えて４回ずつサンプリングす
る。このようにして、４波長の間に、全てのエレメント
について４つ（０°、９０°、１８０°、２７０°）の
データを得ることができる。この４波長の間の処理が１
スキャン周期の処理である。

【００６０】なお、各ＡＤ変換器ＡＤｋ，（ｋ＝０〜
９）のサンプリングタイミングは、完全に同期してお
り、サンプリング終了後のマルチプレクサ１６の切り換
えも同時である。ＡＤ変換器ＡＤｋとして２０ＭＨｚ程
度の高速ＡＤ変換器を使用すれば、サンプリング直前の
入力だけがサンプリングデータに影響するため、入力信
号のサンプリングを行った直後に、マルチプレクサの切
り換え、後段のＴＶＧアンプの応答を実行することによ
り、次のサンプリングタイミング（０．１９５６２５μ
秒後）までには、マルチプレクサの選択信号の作動とＡ
Ｄ変換器の出力データの変化で発生した雑音は十分に減
衰しているため、次のサンプリングに悪影響を及ぼさな
い。また、上記のように１０系統のマルチプレクサ、Ａ
Ｄ変換器の切り換えを同期して行っているため、ある系
統の切換ノイズが他の系統に侵入して悪影響を及ぼすこ
ともない。

【００６１】このようにマルチプレクサによる切り換え
で多重化をした場合のノイズを防止するためこのソナー
装置では斜め階段状のサンプリングタイミングを採用し
ている。

【００６２】各エレメントのサンプリングデータは平均
処理回路２０に入力される。平均処理回路２０は、各エ
レメント毎に、０°サンプリングデータと１８０°サン
プリングデータ、および、９０°サンプリングデータと
２７０°サンプリングデータの対で平均処理を行う。送
信周波数（反射エコー周波数）と同じクロックでタイミ
ングを設定されたサンプリングデータであるため、０°
サンプリングデータと１８０°サンプリングデータ、お
よび、９０°サンプリングデータと２７０°サンプリン
グデータは、それぞれ殆ど同じ振幅レベルで極性が異な
る値になっているはずである。したがって、（０°サン
プリングデータ−１８０°サンプリングデータ）／２の
平均処理を行うことにより、ＤＣオフセット成分をキャ
ンセルした０°サンプリングデータ（実部データＲ）を
算出することができる。なお、ＤＣオフセット成分は、
正負非対称でのＡＣ結合やＡＤ変換器のオフセット誤差
によって発生するものである。また、９０°サンプリン
グデータと２７０°サンプリングデータについても、
（９０°サンプリングデータ−２７０°サンプリングデ
ータ）／２の平均処理を行うことにより、ＤＣオフセッ
ト成分をキャンセルした９０°サンプリングデータ（虚
部データＩ）を算出することができる。これら実部デー
タＲと虚部データＩを複素サンプリングデータとして出
力する。

【００６３】図１０は平均処理回路２０が出力するサン
プリングデータのタイミングを示す図である。平均処理
回路２０が出力するサンプリングデータは、同図折線ａ
に示すような斜め階段状のサンプリング時刻のものであ
る。すなわち、０°、９０°、１８０°、２７０°の４
回サンプリングしているが、１８０°サンプリングデー
タ、２７０°サンプリングデータはＤＣオフセット成分
を除去するために用いられ、９０°サンプリングデータ
は虚部データとして用いられるため、結局は０°サンプ
リングデータのタイミングの複素サンプリングデータと
して演算処理部３に入力される。

【００６４】この複素サンプリングデータは、光ファイ
バ等で結合された高速リンクにより船室の演算処理部３
に伝送される。なお、送受信部２のＡＤ変換器１９以後
はデジタル処理であるため、サンプリングデータの伝送
タイミングがこの同図の階段状折線ａのタイミングに正
確に一致している必要はなく、以下の演算処理がリアル
タイムに実行できるように送受信部２から演算処理部３
に入力されればよい。すなわち、階段状のサンプリング
データのうち、たとえばエレメント０のデータ〜エレメ
ント９のデータは同タイミングのものであるが、送受信
部２から演算処理３への伝送はシリアルに行われ、演算
処理部３の処理においてこれらのデータが同タイミング
のものとして処理される。

【００６５】図８に示すように、受信トランスデューサ
１２は、１．５°間隔で１６０個のエレメントを有する
中心角２３８．５°の円筒形状になっているが、受波ビ
ームの形成には、ビーム方向を中心とする約９０°の範
囲の６０エレメントが使用される。エレメント０〜エレ
メント５９で受波ビームを形成する場合、ビーム方向
は、エレメント２９，エレメント３０間の方向であり、
この方向を０°とすると、エレメント０は、４４．２５
°の方向になり、エレメント５９は、−４４．２５°の
方向になる。

【００６６】演算処理部３は、連続する６０エレメント
で受波ビームを形成し、これを右から左にスキャンす
る。すなわち、エレメント０〜エレメント５９で形成す
る受波ビーム（ビーム０）からエレメント１００〜エレ
メント１５９で形成する受波ビーム（ビーム１００）ま
での１０１の受波ビームを連続して形成する。

【００６７】ここで、上記のように受信トランスデュー
サ１２は、半径が１２５ｍｍであるため、ビーム方向に
対して一番前のエレメント２９，３０と、一番後ろのエ
レメント０，５９とは約７．５波長分の距離がある。す
なわち、 １２５×（１−√１／２）／（１５００／３２０）≒
７．５ である。

【００６８】上述したように、この海底探査ソナーで
は、送信トランスデューサ１１から送信するバースト波
のパルス幅を６波長程度に短かくし探査精度の向上を図
っている。このため、反射エコーのパルス幅も短くな
り、反射エコーが受波ビーム形成用の６０のエレメント
に同時に掛からない。そこで、演算処理部３では、２ス
キャン周期分（前回と今回）のサンプリングデータを用
いることで全てのエレメントで反射エコーを受信して受
波ビームを形成できるようにしている。すなわち、スキ
ャン周期は４波長ごとであり、前回のサンプリングから
今回のサンプリングまでの間に反射エコーは４波長の距
離を進んでいるため、反射エコーの長さが６波長であっ
ても、６λ＋４λの範囲に反射エコーがかかることにな
り、７．５波長の距離をカバーすることができる。

【００６９】このため、後ろの方のグループ１（エレメ
ント０〜エレメント９、エレメント５３〜エレメント５
９）と前の方のグループ２（エレメント１０〜エレメン
ト５２）に分け、反射エコーが遅く到達するグループ１
については今回のスキャン周期にサンプリングしたデー
タを用い、反射エコーが速く到達するグループ２につい
ては今回のスキャン周期から４波長前の時間帯にサンプ
リングされた前回のスキャン周期のサンプリングデータ
を用いてビーム形成を行う。

【００７０】なお、上記グループ１、グループ２はサン
プリングデータを斜め階段状サンプリングの場合のグル
ープ分けであり、同タイミングのデータをサンプリング
した場合には、グループ１がエレメント０〜エレメント
８およびエレメント５１〜エレメント５９、グループ２
がエレメント９〜エレメント５０となる。

【００７１】図１１は、演算処理部３のビーム形成部２
２の構成を示す図である。ビーム形成部２２は６０点の
複素マッチドフィルタによって受波ビームの形成を行う
回路である。このビーム形成部は、従来のマッチドフィ
ルタである６０段のシフトレジスタ５１，６１に加えて
１０７段のシフトレジスタ５２，６２、４３段のシフト
レジスタ５３，６３を備えている。シフトレジスタ５
１，５２，５３およびシフトレジスタ６１，６２，６３
は、それぞれ別々に縦列接続されている。

【００７２】前段の受信部から０°サンプリングデータ
すなわち複素サンプリングデータの実部データが入力さ
れ、この０°サンプリングデータは、シフトレジスタ５
１の入力端子に入力される。また、前段の受信部から９
０°サンプリングデータすなわち複素サンプリングデー
タの虚部データが入力され、この９０°サンプリングデ
ータは、シフトレジスタ６１の入力端子に入力される。
６０段のシフトレジスタ５１，６１の後端に今回のサン
プリングサイクルのエレメント５９のサンプリングデー
タが入力されたとき、ビーム番号０のビームが形成され
る。次に、１シフトし、後端にエレメント６０のサンプ
リングデータが入力されたときビーム番号１のビームが
形成される。このように、ビーム番号を＋１するとき
に、サンプリングデータのみ１シフトし、乗算器の係数
（Ｃ_Rn、Ｃ_Inで表示）は固定でよい。

【００７３】Ｃ_Rn、Ｃ_Inは複素マッチドフィルタの係数
で、窓処理の重み付け、サンプリングタイミング差、素
子位置と音速の関係を補正する係数である。マッチドフ
ィルタは全体として、各素子の受信信号のベクトルを合
わせるように加算することでビームを形成する。ここ
で、６０段のシフトレジスタ５１，６１は、エレメント
０〜エレメント９、エレメント５３〜エレメント５９の
サンプリングデータの出力タップを有し、４３段のシフ
トレジスタ５３，６３では、エレメント１０〜エレメン
ト５２のサンプリングデータの出力タップを有してい
る。

【００７４】０°サンプリングデータすなわち複素サン
プリングデータの実部データは、６０段のシフトレジス
タ５１、１０７段のシフトレジスタ５２、４３段のシフ
トレジスタ５３に順次入力される。また、９０°サンプ
リングデータは、６０段のシフトレジスタ６１、１０７
段のシフトレジスタ６２、４３段のシフトレジスタ６３
に順次入力される。

【００７５】同図において、Ｒ_Nn、Ｒ_Onは０°サンプリ
ングデータ（実部データ）を示し、Ｒ_Nnは今回のスキャ
ン周期でサンプリング入力されたデータ、Ｒ_Onは前回の
スキャン周期でサンプリング入力されたデータを示す。
また、Ｉ_Nn、Ｉ_Onは９０°サンプリングデータ（虚部デ
ータ）であり、Ｉ_Nnは今回のスキャン周期でサンプリン
グ入力されたデータ、Ｉ_Onは前回のスキャン周期でサン
プリング入力されたデータを示す。そして、Ｃ_Rn、Ｃ_In
は、複素マッチドフィルタのリファレンス係数を示し、
Ｃ_Rnはリファレンスの実部係数、Ｃ_Inはリファレンスの
虚部係数を示す。添字の数字はビーム中のエレメント番
号である。なお、同図において、乗算されるリファレン
ス係数Ｃ_Rn、Ｃ_InおよびサンプリングデータＲ_Nn，
Ｒ_On，Ｉ_Nn，Ｉ_Onには、ともに０〜５９の番号が付され
ており、このうちリファレンス係数Ｃ _Rn、Ｃ_Inは０〜５
９の番号で示される固定された値であるが、サンプリン
グデータＲ_Nn，Ｒ_On，Ｉ_Nn，Ｉ_Onには、シフトレジスタ
に順次入力されるエレメント０〜１５９のデータが、順
次割り当てられる。このとき、ｎ＝２９，３０に割り当
てられたエレメントの方向をビーム方向として受波ビー
ムが形成される。

【００７６】図示のようにマッチドフィルタは、ＲＲ、
ＩＲ、ＲＩ、ＩＩの４系列からなっている。ＲＲは、Ｒ
_Nn，Ｒ_On（実部データ）、とＣ_Rn（実部係数）との相関
度を算出するフィルタであり、６０個の乗算器５５がリ
ファレンス係数Ｃ_Rnと、そのタイミング（ビーム方向）
で対応する０°サンプリングデータとの乗算を行い、加
算器５６がその乗算結果を加算する。また、Ｉ・Ｉは、
Ｉ_Nn，Ｉ_On（虚部データ）、とＣ_In（虚部係数）との相
関度を算出するフィルタであり、６０個の乗算器５７が
リファレンス係数Ｃ_Inと、そのタイミング（ビーム方
向）で対応する９０°サンプリングデータとの乗算を行
い、加算器５８がその乗算結果を加算する。加算器５５
の加算結果すなわちＲＲ系統のフィルタ出力（ＲＲ）お
よびＩＩ系統のフィルタ出力（ＩＩ）は減算器７１に入
力され（ＲＲ）−（ＩＩ）の演算が行われ、複素サンプ
リングデータの実部と複素リファレンス係数の実部との
位相の相関値が算出される。すなわち、

【００７７】

【数１】

【００７８】の演算が実行され、実部データと実部係数
の相関が算出される。

【００７９】一方、ＩＲは、Ｉ_Nn，Ｉ_On（虚部デー
タ）、とＣ_Rn（実部係数）との相関度を算出するフィル
タであり、６０個の乗算器６５がリファレンス係数Ｃ_Rn
と、そのタイミング（ビーム方向）で対応する９０°サ
ンプリングデータとの乗算を行い、加算器６６がその乗
算結果を加算する。また、Ｒ・Ｉは、Ｒ_Nn，Ｒ_On（実部
データ）、とＣ_In（虚部データ）との相関度を算出する
フィルタであり、６０個の乗算器６７がリファレンス係
数Ｃ_Inと、そのタイミング（ビーム方向）で対応する０
°サンプリングデータとの乗算を行い、加算器６８がそ
の乗算結果を加算する。加算器６５の加算結果すなわち
ＩＲ系統のフィルタ出力（ＩＲ）およびＲＩ系統のフィ
ルタ出力（ＲＩ）は加算器７２に入力され（ＩＲ）＋
（ＲＩ）の演算が行われ、複素サンプリングデータの実
部と複素リファレンス係数の実部との位相の相関値が算
出される。すなわち、上記〔数１〕の演算が実行され
る。

【００８０】減算器７１および加算器７２の演算結果
は、振幅検出部７３に入力される。振幅検出部７３は、
この演算結果に基づいて受波ビームの振幅を求める。こ
の振幅は、（Ｉ² ＋Ｑ² ）^1/2 で求めることができ、ハ
ード処理する場合は、テーブルや近似処理する回路など
を用いればよい。取出回路７４は、図８に示すように受
信トランスデューサの全周に素子がないために必要にな
る回路で、シフトレジスタのクロックの５９〜１５９の
１０１ビームを取り出す。この１０１ビームは、上記し
たようにエレメント２９−３０間方向のビーム０からエ
レメント１２９−１３０間方向のビーム１００までの１
０１個のビームである。

【００８１】なお、入力の０°サンプリングデータと９
０°サンプリングデータが円周に沿った同タイミングの
データの場合、マッチドフィルタは、６０段のシフトレ
ジスタ５１，６１の前３０段と後３０段で対称となり、
シフトレジスタを中央で折り返すようにして加算後に乗
算するようにすれば乗算器の数を１／２にできる。これ
は４３段シフトレジスタにも適用することができ、この
場合、同時サンプリングであるため、ｎ＝９〜５０の４
２段シフトレジスタとなる。

【００８２】図１２は、図８に示す一部切欠の円筒形ト
ランスデューサを用いたビーム形成部の他の実施形態を
示す図である。図１１のマッチドフィルタをハード回路
で実現すると、サンプリングデータと係数との乗算部分
が一番大きく、乗算器の時分割使用が必要である。図１
１のビーム形成部では実際に受波ビームを形成できない
時間範囲（ｎ＝０〜５９の範囲にデータの不連続点（エ
レメント１５９−エレメント０）が存在する時間範囲）
であってもフィルタ演算を行い、取出回路７４でこのデ
ータを捨てていたが、図１２のビーム形成部では、図１
１のビーム形成部に並列ロードシフトレジスタを追加す
ることにより、上記無駄な演算をなくし、必要な乗算お
よび加算の回数を減らすことで、回路規模を軽減を可能
にしている。図１１のビーム形成部では、ＲＲ，ＩＲ，
ＲＩ，ＩＩの４つの複素マッチドフィルタの２４０個の
乗算を、１秒間にスキャン周期（３２０ｋＨｚ／４）×
データシフト回数（１６０）＝１２８０００００回実行
する必要があったが、図１２のビーム形成部ではフィル
タ演算の回数が実際にビームを形成する１０１回でよい
ため、１秒当たりの演算回数を（３２０ｋＨｚ／４）×
１０１＝８０８００００回に軽減することができる。

【００８３】図１２のビーム形成部において、図１１に
示したビーム形成部に追加した構成部は、並列ロード１
６０段シフトレジスタ８１，８４、並列ロード１０１段
シフトレジスタ８２，８５である。図１２の１６０段シ
フトレジスタ８０，８３は、図１１の、６０段シフトレ
ジスタ５１，６１と１０７段シフトレジスタ５２，６２
をそれぞれ連結したものと等価である。

【００８４】受信回路から入力される０°サンプリング
データ、９０°サンプリングデータは、それぞれ１６０
段シフトレジスタ８０、１６０段シフトレジスタ８３に
入力され、Ｒ_N0，Ｉ_N0が１６０段の一番奥に転送され、
Ｒ_N0〜Ｒ_N159、Ｉ_N0〜Ｉ_N159の１６０個のデータが揃っ
た時点（４波長ごとに発生）で、このデータ列が並列ロ
ード１６０段シフトレジスタ８１および並列ロード１６
０段シフトレジスタ８４に並列ロードされる。

【００８５】並列ロード１０１段シフトレジスタ８２、
並列ロード１０１段シフトレジスタ８５は、それぞれ並
列ロード１６０段シフトレジスタ８１、並列ロード１６
０段シフトレジスタ８４に接続されている。１６０段シ
フトレジスタ８０，８３から並列ロード１６０段シフト
レジスタ８１，８４にデータがロードされるタイミング
と同じタイミングに、並列ロード１６０段シフトレジス
タ８１，８４から並列ロード１０１段シフトレジスタ８
２，８５に（１スキャン周期前の）データがロードされ
る。なお、この構成では、０°サンプリングデータ、９
０°サンプリングデータが入力されはじめたのち、これ
が２周するまで（８波長分）ビーム形成できないが、極
近距離であるため全く問題ない。

【００８６】並列ロード後、ビーム形成および並列ロー
ドシフトレジスタのシフトを１０１回ずつ行う。この処
理は次の並列ロードのタイミングまでに終わっていれば
よい。このようにして、無駄なビーム形成演算をなくす
ことで、１つの乗算器で時分割できる乗算の数を増やす
ことができ、全体規模の縮小ができる。

【００８７】図１１、図１２のビーム形成部ともに各マ
ッチドフィルタの係数Ｃを固定としたが、受波ビームの
形成中に係数Ｃを連続に変更し、ビームのフォーカスを
変更できるようにしてもよい（ダイナミックフォーカ
ス）。ダイナミックフォーカスにすれば、特に近距離の
ビーム形成の性能を改善することができる。

【００８８】図１３〜図１６は、上記ビーム形成部の他
の実施形態およびその動作を示す図である。この実施形
態のビーム形成部は、図１２のビーム形成部のシフトレ
ジスタの多くをＲＡＭに置き換えたものである。図１３
はその構成図である。この実施形態では、１つの処理回
路が並列処理できるデータ数が１６であることから、ビ
ームを形成する６０個のサンプリングデータを１４、１
６、１６、１４に４分割して処理する。このうち中央の
１６サンプリングデータ＋１６サンプリングデータは早
くビームが到達するため古いスキャン周期のデータを用
い、左右周辺の１４サンプリングデータ＋１４サンプリ
ングデータは遅くビームが到達するため新しいスキャン
周期のデータを用いる。

【００８９】中央の１６＋１６サンプリングデータ用に
１６段シフトレジスタ９１、９２および並列ロード１６
段シフトレジスタ９５、９６が設けられ、これらに対応
するフィルタ係数を記憶した係数レジスタ１０５、１０
６、マッチドフィルタの演算を実行する演算部１０１、
１０２が設けられている。また、周辺の１４＋１４サン
プリングデータ用に１４段シフトレジスタ９０、９３お
よび並列ロード１４段シフトレジスタ９４、９７が設け
られ、これらに対応するフィルタ係数を記憶した係数レ
ジスタ１０４、１０７、マッチドフィルタの演算を実行
する演算部１００、１０３が設けられている。そして、
演算部１００〜１０３の演算結果を加算する加算部１０
８が設けられている。

【００９０】なお、この図では、各サンプリングデータ
について１系統しか示していないが、各構成部は、サン
プリングデータの実部、虚部に合わせてそれぞれ２系統
あり、演算部１００〜１０３は、データの実部×係数の
実部、データの実部×係数の虚部、データの虚部×係数
の実部、データの虚部×係数の虚部の４回の演算をす
る。

【００９１】各シフトレジスタおよび並列ロードシフト
レジスタには移相器２１、ＲＡＭ−１、ＲＡＭ−２から
サンプリングデータが供給される。なお、ＲＡＭ−０
は、移相器２１から入力される最新のサンプリングデー
タをバッファするＲＡＭであり、エレメント１４〜エレ
メント１５９の１４６個のデータを記憶する領域を有す
るものである。なお、ＲＡＭ−１、ＲＡＭ−２も同様に
エレメント１４〜エレメント１５９の１４６個のデータ
を記憶する領域を有している。エレメント０〜エレメン
ト１３のデータはシフトレジスタに直接ロードされるた
め、ＲＡＭは不要である。詳細は後述する。

【００９２】図１４、図１５を参照して、このビーム形
成部の動作を説明する。移相器２１は、階段状のサンプ
リングデータを斜め連続サンプリングデータに移相す
る。１スキャン分のデータすなわちエレメント０のデー
タからエレメント１５９のデータは、ページデータとし
て順次ＲＡＭ０および１４段シフトレジスタ９０および
１４段シフトレジスタ９３に入力される。

【００９３】１４段シフトレジスタ９０には新しいスキ
ャンのエレメント１３〜エレメント０のサンプリングデ
ータが入力される。１４段シフトレジスタ９３には新し
いスキャンのエレメント１５９〜エレメント１４６のサ
ンプリングデータが入力される。また、１６段シフトレ
ジスタ９１には古いスキャンのエレメント１４〜エレメ
ント２９のサンプリングデータが入力される。１６段シ
フトレジスタ９２には古いスキャンのエレメント３０〜
エレメント４５のサンプリングデータが入力される。こ
こで、図１４、図１５において、古いスキャンのデータ
を０−ｎ（ｎ＝０〜１５９）と記述し、新しいスキャン
のデータを１−ｎ（ｎ＝０〜１５９）と記述する。

【００９４】上記のようにデータが入力されると（図１
４（Ａ））、各シフトレジスタ９０〜９３から並列ロー
ドシフトレジスタ９４〜９７にデータがロードされる
（図１４（Ｂ））。並列ロードシフトレジスタ９４〜９
７にデータがロードされると、このデータは演算部１０
０〜１０３に供給されるため、このデータに基づいてビ
ームが形成される。同図（Ｂ）の場合にはエレメント０
〜エレメント５９を用いたビーム番号０のビーム（ビー
ム０）が形成される。このとき、バッファであったＲＡ
Ｍ−０のデータは新しいスキャンデータを格納するＲＡ
Ｍ−１に転送され、それまでＲＡＭ−１に格納されてい
たデータは古いスキャンデータを格納するＲＡＭ−２に
転送される。

【００９５】こののちは、各並列ロードシフトレジスタ
９４〜９７のデータが１つずつシフトされてゆき、ビー
ム番号１（ビーム１）〜ビーム番号１００（ビーム１０
０）のビームが形成される。図１５（Ａ）は、図１４
（Ｂ）の状態から１つだけサンプリングデータがシフト
された状態を示している。このデータのセットでビーム
１が形成される。

【００９６】そして、順次データがシフトされてゆき、
図１５（Ｂ）のように並列ロードシフトレジスタ９７に
１−１５９〜１−１４６のサンプリングデータがセット
され、並列ロードシフトレジスタ９６に０−１４５〜０
−１３０のサンプリングデータがセットされ、並列ロー
ドシフトレジスタ９５に０−１２９〜０−１１４のサン
プリングデータがセットされ、並列ロードシフトレジス
タ９４に１−１１３〜１−１００のサンプリングデータ
がセットされると、これらのデータがビーム１００が形
成される。

【００９７】これ以上データをシフトしても不連続なデ
ータセットとなり、ビーム形成ができないが、このと
き、ＲＡＭ−０、１４段シフトレジスタ９０、９３に
は、次の新たなスキャンのデータ２−ｎ（ｎ＝０〜１５
９）が入力されており、１６段シフトレジスタ９１、９
２には、ＲＡＭ−１から１−４５〜１−３０、１−２９
〜１−１４のデータが入力されている。すなわち、これ
らのデータは次のスキャンのビーム０のデータセットで
ある。

【００９８】これを図１４（Ａ）→（Ｂ）の手順で並列
ロードすることにより、次のスキャンのビーム０を形成
することができ、図１４（Ａ）→（Ｂ）→図１５（Ａ）
→（Ｂ）→図１４（Ａ）の手順を繰り返してゆくこと
で、不連続なデータセットをスキップしてビーム形成に
有効なデータセットのみを並列ロードシフトレジスタ９
４〜９７にセットすることができる。

【００９９】なお、距離に応じてビームの焦点を鋭く結
ばせるダイナミックフォーカスを行うため、係数レジス
タ１０４〜１０７にセットされる係数は、ビーム形成を
開始してからの時間すなわちビームの距離に応じて一斉
に書き換えられる。

【０１００】また、上記説明では、理解が容易なように
ＲＡＭ−０→ＲＡＭ−１→ＲＡＭ−２とデータを転送す
るとしているが、実際には、書込アドレス、読出アドレ
スを変更することで対応し、データの転送は行わない。

【０１０１】上記実施形態では、図８に示すように一部
が切りかかれた円筒形アレイについて説明しているが、
全周にエレメントを備えた完全に円筒形のトランスデュ
ーサにこの発明を適用することもできる。

【０１０２】図１７は、リニアアレイの受信データから
受波ビームを形成するマッチドフィルタを備えたビーム
形成部の例を示す図である。このビーム形成部は、図３
で説明した原理を具体化したものである。このマッチド
フィルタを、図６の海底探査ソナーにおいて受信用のト
ランスデューサとして直線状の超音波振動子アレイを用
いた場合、同図のビーム形成部２２としてこのビーム形
成部を用いればよい。

【０１０３】なお、図３に示すようにこのビーム形成部
では階段状のサンプリングデータをそのまま用いるた
め、図６の移相器２１は不要である。ただし、サンプリ
ングデータを斜め等間隔サンプリングに移相して入力す
るなどの場合には移相器を用いればよい。

【０１０４】図１７において、バッファＲＡＭ９０は、
複数のスキャン周期に跨がるサンプリングデータ列〜
サンプリングデータ列を作るために必要で、例えばデ
ュアルポートＲＡＭで構成される。図３ようにサンプリ
ングデータ列を作成する場合、スキャン周期Ｎ＋８のサ
ンプリングデータをバッファＲＡＭに書き込み、スキャ
ン周期Ｎ−７〜スキャン周期Ｎ＋７のデータを読み出し
てサンプリングデータ列〜サンプリングデータ列の
データを作るように動作する。したがって、バッファＲ
ＡＭ９０の容量は、１６スキャン周期以上のサンプリン
グデータ（スキャン周期Ｎ−７〜スキャン周期Ｎ＋７で
１５スキャン周期分、スキャン周期Ｎ＋８で１スキャン
周期分）を記憶する容量が必要である。

【０１０５】書込／読出回路９１は、バッファＲＡＭ９
０のデータの書き込み、読み出し、マッチドフィルタ部
９２〜９６へのデータ転送を制御する。マッチドフィル
タ部９２〜９６は、それぞれサンプリングデータ列〜
サンプリングデータ列に対応しており、対応する範囲
のビーム方向（ビーム番号）のビームを形成する。な
お、入力されるサンプリングデータおよびマッチドフィ
ルタの係数はそれぞれ複素数であり、図１７のサンプリ
ングデータ部と係数部の破線は、それぞれのデータが複
素データであることを示している。また、サンプリング
データ部は処理の高速化のためダブルバッファ方式をと
ることが多いが、図１７では説明を簡略化するためこれ
を省略している。

【０１０６】ここで、ビーム０〜ビーム９のビームを形
成するサンプリングデータ列のマッチドフィルタ部９
２について説明する。係数メモリ１００には、ビーム０
〜ビーム９のビームを形成するための、マッチデータ
（フィルタ係数）が蓄えられている。係数選択回路１０
１は、外部から入力されるビーム番号に応じ、このビー
ム番号に対応するフィルタ係数を係数メモリ１００から
読み出して乗算器群１０２に供給する。サンプリングデ
ータレジスタ１０３は、書込／読出回路９１から入力さ
れたエレメント０〜エレメント７９の所定のスキャン周
期のサンプリングデータを記憶する。このサンプリング
データは、図３に示すサンプリングデータ列のサンプ
リングデータである。サンプリングデータレジスタ１０
３はこのデータを乗算器群１０２に供給する。乗算器群
１０２は、供給されたサンプリングデータとフィルタ係
数とを乗算して加算器１０４に入力する。加算器１０４
は、各乗算器の乗算結果を加算して実数部、虚数部毎の
加算値を算出する。振幅検出回路１０５は、この加算値
を用い、（Ｉ² ＋Ｑ² ）^1/2 の演算を実行して振幅を算
出する。そしてこの振幅値を遅延回路１０６で２波長遅
延して指定されたビーム番号のビーム方向の受信振幅出
力として出力する。

【０１０７】上記と同様の処理を、分割されたビーム番
号毎にサンプリングデータ列〜について行えば、ビ
ーム０〜ビーム７９の振幅出力が得られる。また、この
ビーム形成部においても、マッチデータをビーム形成中
に連続に変更できるようにしておけばダイナミックフォ
ーカスが可能となる。

【０１０８】なお、マッチドフィルタ部９２，９４，９
６に２波長の遅延回路が必要な理由は、図３の例ではサ
ンプリングデータ列、サンプリングデータ列、サン
プリングデータ列の方が、サンプリングデータ列、
サンプリングデータ列よりも２波長分進むため、サン
プリングデータ列、サンプリングデータ列、サンプ
リングデータ列を２波長遅らせるためである。これは
図３に示すように、サンプリングデータ列の階段数が偶
数（８段）であるため、サンプリングデータ列の中心が
階段の段と段の中間になり、階段の傾斜によってサンプ
リングデータ列の中心が２波長分ずれることがあるため
である。

【０１０９】書込／読出回路９１でサンプリングデータ
列、サンプリングデータ列に入力するデータを１ス
キャン周期（４波長）進ませることができ、この場合は
サンプリングデータ列、サンプリングデータ列の方
に２波長遅延を入れる。なお、斜め階段状のサンプリン
グデータ列の段数を奇数とした場合には、全てのサンプ
リングデータ列の中心を同じスキャン周期に揃えること
ができるため、２波長遅延は不要になる。

【０１１０】図１８は、リニアアレイの受信データを遅
延・移相処理によってサンプル面を変更したのちＤＦＴ
により受波ビームを形成する演算処理部のブロック図で
ある。この演算処理部は、図５で説明した原理を具体化
したものであり、図６の海底探査ソナーにおいて受信用
のトランスデューサとして直線状の超音波振動子アレイ
を用い、マッチドフィルタを用いずにビームを形成する
場合には、同図の演算処理部３としてこの演算処理部を
用いればよい。この場合、後述の０°サンプルデータ生
成回路１１３、＋４５°サンプルデータ生成回路１１
４、−４５°サンプルデータ生成回路１１５が移相器２
１に対応し、ＤＦＴ回路１１９，１２０，１２１がビー
ム形成部２２に対応する。

【０１１１】同図において、バッファＲＡＭ１１１、１
１２は、送受信部２から入力される０°サンプリングデ
ータと９０°サンプリングデータをバッファリングす
る。このサンプリングデータは、図２に示した階段状の
斜めサンプリングデータ、図８に示した全エレメントの
同時サンプリングデータ、連続斜めサンプリングデータ
などどのような時系列データでもよい。バッファＲＡＭ
は、通常のＳＲＡＭ、デュアルポートＳＲＡＭなどで構
成される。バッファＲＡＭ１１１、１１２は、図５に示
すように、リニアアレイに対して０°、＋４５°、−４
５°の傾斜のサンプリング面を形成するためＮ−５〜Ｎ
＋５の１１のスキャン周期分の記憶エリアを備える。す
なわち、＋４５°または−４５°の傾斜のサンプリング
面を形成するためにＮ−５〜Ｎ＋４の１０のサンプリン
グデータ列を使用し、Ｎ＋５のエリアには入力されたサ
ンプリングデータが書き込まれる。

【０１１２】０°サンプリング面生成回路１１３は、バ
ッファＲＡＭ１１１、１１２に記憶されているスキャン
周期Ｎのサンプリングデータ列を読み込み、これが階段
状嘗めサンプリングデータや連続斜めサンプリングデー
タである場合には、各サンプリングデータを移相して同
時サンプリングのサンプリングデータ列に変換してバッ
ファＲＡＭ１１７に書き込む。また、バッファＲＡＭ１
１１、１１２に記憶されているサンプリングデータ列が
同時サンプリングデータの場合には、これをそのまま出
力してバッファＲＡＭ１１７に書き込む。

【０１１３】−４５°サンプリング面生成回路１１５
は、バッファＲＡＭ１１１、１１２に記憶されているス
キャン周期Ｎ−５〜Ｎ＋４のサンプリングデータ列を読
み込む。このとき、各スキャン周期のうち図５の太線に
示すサンプリングデータ列のみを読み込めばよい。そし
て、各スキャン周期のサンプリングデータ列毎に斜めに
移相し、全てを連続して図５に示すような−４５°のサ
ンプリング面の連続サンプリングデータを生成する。す
なわち、あたかもリニアアレイが−４５°の方向に向い
ているかのようなサンプリングデータ列を生成する。そ
してこのサンプリングデータ列をバッファＲＡＭ１１８
に書き込む。なお、バッファＲＡＭ１１１、１１２から
入力したサンプリングデータ列が階段状の斜めサンプリ
ングデータ、同時サンプリングデータ、連続斜めサンプ
リングデータのいずれであってもそのサンプリングタイ
ミングを補正する遅延・移相の係数を用いればよい。

【０１１４】＋４５°サンプリング面生成回路１１４
は、バッファＲＡＭ１１１、１１２に記憶されているス
キャン周期Ｎ−５〜Ｎ＋４のサンプリングデータ列を上
記−４５°サンプリング面生成回路１１５とは逆方向に
読み込み、図５に示すような＋４５°のサンプリング面
の連続サンプリングデータを生成する。そしてこのサン
プリングデータ列をバッファＲＡＭ１１７に書き込む。

【０１１５】なお、上記の例では、たとえばスキャン周
期Ｎからスキャン周期Ｎ＋１までの間は、スキャン周期
Ｎのサンプリングデータを用いるようにしているが、中
間よりもスキャン周期Ｎのタイミングによっているとこ
ろはスキャン周期Ｎのデータを用い、スキャン周期Ｎ＋
１のタイミングによっているところはスキャン周期Ｎ＋
１のデータを用いるようにしてもよい。また、スキャン
周期Ｎからスキャン周期Ｎ＋１までの間はスキャン周期
Ｎのサンプリングデータとスキャン周期Ｎ＋１のサンプ
リングとで補間するようにしてもよい。

【０１１６】ＤＦＴ回路１１９は、０°サンプリング面
のサンプリングデータ列をＤＦＴし、０°近辺（正面方
向）のビーム形成を実行する。ＤＦＴ回路１２０は、＋
４５°サンプリング面のサンプリングデータ列をＤＦＴ
し、＋４５°近辺（斜め左方向）のビーム形成を実行す
る。ＤＦＴ回路１２１は、−４５°サンプリング面のサ
ンプリングデータ列をＤＦＴし、−４５°近辺（斜め右
方向）のビーム形成を実行する。これらＤＦＴ回路１１
９、１２０、１２１が形成する受波ビームを組み合わせ
ることによって全方向について受波ビームをスキャンす
ることができる。

【０１１７】なお、ＤＦＴ回路１１９、１２０、１２１
は分担を明確にするために分けたもので、高速ＤＳＰな
どを用いて処理能力が十分であれば、分離せずに１つの
処理回路で行うようにしてもよい。

【０１１８】また、簡略化するためサンプリングデータ
列の形成角度を０°、＋４５°、−４５°としたが、生
成する時系列データ数とその角度はビーム幅の範囲、最
小受信パルス幅に応じて最適化すればよい。

【０１１９】

【発明の効果】この発明によれば、受信信号が短いパル
ス信号であっても全超音波振動子にわたって受波ビーム
の形成をすることができるため、ビームの指向性や感度
を改善でき、ソナー装置に適用した場合には距離分解能
を改善することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】円筒形アレイの受信信号に本願発明を適用した
場合の例を示す図である。

【図２】リニアアレイの受信信号に本願発明を適用した
場合の例を示す図である。

【図３】リニアアレイの受信信号に本願発明を適用した
場合の例を示す図である。

【図４】リニアアレイの受信信号に本願発明を適用し、
補間データを生成した場合の例を示す図である。

【図５】リニアアレイの受信信号に本願発明を適用した
場合の例を示す図である。

【図６】この発明の実施形態である海底探査ソナーのブ
ロック図である。

【図７】同海底探査ソナーのトランスデューサの取り付
け形態および送波ビーム，受波ビームを示す図である。

【図８】同海底探査ソナーの受信トランスデューサの構
成を示す図である。

【図９】同海底探査ソナーのＡＤ変換器のサンプリング
タイミングチャートを示す図である。

【図１０】同海底探査ソナーの演算処理部の移相方式を
説明する図である。

【図１１】同演算処理部のビーム形成部の構成を示す図
である。

【図１２】ビーム形成部の他の構成例を示す図である。

【図１３】ビーム形成部のシフトレジスタに代えてＲＡ
Ｍを用いた例を示す図である。

【図１４】同ビーム形成部の動作を説明する図である。

【図１５】同ビーム形成部の動作を説明する図である。

【図１６】前記演算処理部の移相器の構成を示す図であ
る。

【図１７】受信トランスデューサとしてリニアアレイを
用いた場合のビーム形成部の構成例を示す図である。

【図１８】受信トランスデューサとしてリニアアレイを
用い、ＤＦＴ演算によってビーム形成幅を広げたビーム
形成部の例を示す図である。

【図１９】円筒形アレイのビーム劣化の原因を説明する
図である。

【図２０】リニアアレイのビーム劣化の原因を説明する
図である。

【符号の説明】

１…トランスデューサ部 ２…送受信部 ３…演算処理部 １１…送信トランスデューサ １２…受信トランスデューサ １３…プリアンプ １４…バンドパスフィルタ １５…ＴＶＧアンプ １６…バンドパスフィルタ １７…マルチプレクサ １８…ＴＶＧアンプ １９…ＡＤ変換器 ２０…平均化処理部 ２１…移相器 ２２…ビーム形成部 ５１、６１…６０段シフトレジスタ ５２、６２…１０７段シフトレジスタ ５３、６３…４３段シフトレジスタ ５５、５７、６５、６７…乗算器 ５６、５８、６６、６８…加算器 ７１…減算器 ７２…加算器 ７３…振幅検出部 ７４…取出回路 ８０、８３…１６０段シフトレジスタ ８１、８４…並列ロード１６０段シフトレジスタ ８２、８５…並列ロード１０１段シフトレジスタ ９０…バッファＲＡＭ ９１…書込／読出回路 ９２〜９６…マッチドフィルタ部 １００…係数メモリ １０１…係数選択回路 １０２…乗算器群 １０３…サンプリングデータレジスタ １０４…（符号付）加算器 １０５…振幅検出回路 １０６…（２波長）遅延回路 １１１、１１２…バッファＲＡＭ １１３…０°サンプリング面生成部 １１４…＋４５°サンプリング面生成部 １１５…−４５°サンプリング面生成部 １１６、１１７、１１８…バッファＲＡＭ １１９、１２０、１２１…信号処理部 １３０…ＦＩＦＯメモリ １３１…乗算部 １３２…（移相係数）メモリ １３３…減算器 １３４…加算器

フロントページの続き (51)Int.Cl.⁷ 識別記号 ＦＩ テーマコート゛(参考） // Ｇ０１Ｂ 17/00 Ｇ０１Ｓ 7/52 Ｄ (72)発明者 西森 靖 兵庫県西宮市芦原町９番52号 古野電気株 式会社内 (72)発明者 奥西 哲 兵庫県西宮市芦原町９番52号 古野電気株 式会社内 Ｆターム(参考） 2F068 AA39 CC07 FF03 GG01 JJ02 JJ04 JJ06 KK14 LL04 LL18 PP07 PP08 QQ00 QQ05 5D019 AA02 AA13 AA21 BB20 FF02 5J083 AA02 AB08 AB17 AC28 AC40 AE06 AE08 AF16 BA01 BC02 BC11 BD05 BE15 BE49 BE60 CA02 CA12 CA13

Claims (20)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 円弧状に配列された複数の超音波振動子
   を、受波ビーム形成方向における位置に応じて複数のブ
   ロックに分割し、 各超音波振動子が受信した信号の各々を、所定のスキャ
   ン周期で繰り返しサンプリングし、 各ブロック毎にそれぞれ別のスキャン周期のサンプリン
   グデータを選択し、 選択されたサンプリングデータに基づいて受波ビームを
   形成する受波ビーム形成方法。
2. 【請求項２】 前記複数の超音波振動子が受信する信号
   は、前記円弧状に配列された複数の超音波振動子の受波
   ビーム形成方向における長さよりも短いパルス信号であ
   る請求項１に記載の受波ビーム形成方法。
3. 【請求項３】 前記複数の超音波振動子が受信する信号
   は、徐々に振幅が大きくなってゆく増加波または徐々に
   振幅が小さくなってゆく減衰波である請求項１に記載の
   受波ビーム形成方法。
4. 【請求項４】 円周状に配列された複数の超音波振動子
   から一部円弧状の超音波振動子を選択して、請求項１に
   記載の円弧状に配列された複数の超音波振動子とし、前
   記一部円弧状の超音波振動子の選択を順次切り換えるこ
   とにより受波ビーム形成方向を回転させる受波ビーム形
   成方法。
5. 【請求項５】 線状に配列された複数の超音波振動子を
   複数のブロックに分割し、 各超音波振動子が受信した信号の各々を、所定のスキャ
   ン周期で繰り返しサンプリングし、 各ブロック毎にそれぞれ別のスキャン周期のサンプリン
   グデータを選択し、 選択されたサンプリングデータに基づいて所定方向に受
   波ビームを形成する受波ビーム形成方法。
6. 【請求項６】 前記複数の超音波振動子が受信する信号
   は、前記線状に配列された複数の超音波振動子の前記所
   定方向から見た奥行きよりも短いパルス信号である請求
   項５に記載の受波ビーム形成方法。
7. 【請求項７】 前記複数の超音波振動子が受信する信号
   は、徐々に振幅が大きくなってゆく増加波または徐々に
   振幅が小さくなってゆく減衰波である請求項５に記載の
   受波ビーム形成方法。
8. 【請求項８】 前記受波ビーム形成方向の前記線状に配
   列された複数の超音波振動子に対する角度に応じて各ブ
   ロック毎のスキャン周期の選択を変更する請求項５、請
   求項６または請求項７に記載の受波ビーム形成方法。
9. 【請求項９】 線状に配列された複数の超音波振動子が
   受信した信号を所定のスキャン周期でサンプリングした
   サンプリングデータを入力し、 該サンプリングデータを複数スキャン周期分記憶し、 前記複数の超音波振動子を複数のブロックに分割し、各
   ブロック毎にそれぞれ別のスキャン周期のサンプリング
   データを読み出し、 各サンプリングデータを移相することによって、所定の
   サンプリング面の連続したサンプリングデータ列を形成
   し、 該サンプリングデータを用いて所定方向に受波ビームを
   形成する受波ビーム形成方法。
10. 【請求項１０】 円弧状に配列された複数の超音波振動
    子を有する受信トランスデューサの各超音波振動子が受
    信したエコー信号を、該超音波振動子の数よりも少ない
    系統に多重化するマルチプレクサと、 各系統において各超音波振動子のエコー信号の各々を、
    所定のスキャン周期で繰り返しサンプリングして複素サ
    ンプリングデータを出力するＡＤ変換器と、 前記複数の超音波振動子を受波ビーム形成方向における
    位置に応じて複数のブロックに分割し、各ブロック毎に
    それぞれ別のスキャン周期のサンプリングデータを選択
    し、選択された各複素サンプリングデータを用いて前記
    受波ビーム形成方向の受波ビームを形成する信号処理部
    と、 を備えた受波ビーム形成装置。
11. 【請求項１１】 前記受信トランスデューサは、円周状
    に配列された複数の超音波振動子からなり、 前記信号処理部は、一部円弧状の超音波振動子を選択し
    て前記円弧状に配列された複数の超音波振動子とし、前
    記一部円弧状の超音波振動子の選択を順次切り換えるこ
    とにより受波ビーム形成方向を回転させる請求項１０に
    記載の受波ビーム形成装置。
12. 【請求項１２】 円周状に配列された複数の超音波振動
    子から一部円弧状の超音波振動子を選択し、該円弧の中
    心方向の受波ビーム形成を形成するマッチドフィルタで
    あって、 「前記円周状に配列された複数の超音波振動子の個数×
    （ｎ−１）＋前記一部円弧状の超音波振動子の個数」の
    段数を有し、前記円周状に配列された複数の超音波振動
    子から順次複数のスキャン周期分入力される信号列を、
    第ｎ周期の信号列、第ｎ−１周期の信号列、…、第２周
    期の信号列、第１周期のうち前記前記一部円弧状の信号
    列、の順に記憶するシフトレジスタと、 前記一部円弧状の超音波振動子を前記受波ビーム形成方
    向における位置に応じてｎ個のブロックに分割し、ビー
    ム方向に最も近いブロックの超音波振動子の信号は第ｎ
    周期の信号列から取り出し、ビーム方向に２番目に近い
    ブロックの超音波振動子の信号は第ｎ−１周期の信号列
    から取り出し、…、ビーム方向から２番目に遠いブロッ
    クの超音波振動子の信号は第２周期の信号列から取り出
    し、ビーム方向から最も遠いブロックの超音波振動子の
    信号は第１周期の信号列から取り出して、それぞれ対応
    する係数を乗算する複数の乗算器と、 各乗算器の乗算結果を加算して相関データとして出力す
    る加算器と、 を備えたマッチドフィルタ。
13. 【請求項１３】 一部切欠円周状に配列された複数の超
    音波振動子から一部円弧状の超音波振動子を選択し、該
    円弧の中心方向の受波ビーム形成を形成するマッチドフ
    ィルタであって、 前記一部切欠円周状に配列された複数の超音波振動子の
    段数を有するｎ個のシフトレジスタ、および、前記一部
    円弧状の超音波振動子の段数を有するシフトレジスタを
    並列に接続して、前記一部切欠円周状に配列された複数
    の超音波振動子から順次複数のスキャン周期分入力され
    る信号列を、第ｎ＋１周期の信号列、第ｎ周期の信号
    列、第ｎ−１周期の信号列、…、第２周期の信号列、第
    １周期のうち前記前記一部円弧状の超音波振動子の信号
    列、の順に各スキャン周期の信号列毎に各シフトレジス
    タ間を並列にロードしながら記憶し、 前記一部円弧状の超音波振動子を前記受波ビーム形成方
    向における位置に応じてｎ個のブロックに分割し、ビー
    ム方向に最も近いブロックの超音波振動子の信号は第ｎ
    周期の信号列から取り出し、ビーム方向に２番目に近い
    ブロックの超音波振動子の信号は第ｎ−１周期の信号列
    から取り出し、…、ビーム方向から２番目に遠いブロッ
    クの超音波振動子の信号は第２周期の信号列から取り出
    し、ビーム方向から最も遠いブロックの超音波振動子の
    信号は第１周期の信号列から取り出して、それぞれ対応
    する係数を乗算する複数の乗算器と、 各乗算器の乗算結果を加算して相関データとして出力す
    る加算器と、 を備えたマッチドフィルタ。
14. 【請求項１４】 前記複数の超音波振動子から入力され
    る信号列は複素サンプリングデータ列であり、 前記シフトレジスタを信号列の実数部データ用および虚
    数部データ用に２系統備え、 前記複数の乗算器および加算器を、実数部データ×実数
    部係数用、虚数部データ×虚数部係数用、実数部データ
    ×虚数部係数用、虚数部データ×実数部係数用の４系統
    備え、 実数部データ×実数部係数の加算結果および虚数部デー
    タ×虚数部係数の加算結果を減算することによって相関
    値の実数部を割り出し、実数部データ×虚数部係数の加
    算結果および実数部データ×虚数部係数の加算結果を加
    算することによって相関値の虚数部を割り出す出力部
    と、 を備えた請求項１２または請求項１３に記載のマッチド
    フィルタ。
15. 【請求項１５】 それぞれ異なる距離に受波ビームの焦
    点が結ぶよう前記係数を複数組備えた請求項１２、請求
    項１３または請求項１４に記載のマッチドフィルタ。
16. 【請求項１６】 線状に配列された複数の超音波振動子
    が受信した信号を所定のスキャン周期でサンプリングし
    たサンプリングデータを入力し、該サンプリングデータ
    を複数スキャン周期分記憶する記憶手段と、 前記複数の超音波振動子を複数のブロックに分割し、各
    ブロック毎にそれぞれ別のスキャン周期のサンプリング
    データを前記記憶手段から読み出し、読み出した各サン
    プリングデータを用いて所定方向に受波ビームを形成す
    るビーム形成手段と、 を備えた受波ビーム形成装置。
17. 【請求項１７】 前記受波ビーム形成方向の前記線状に
    配列された複数の超音波振動子に対する角度に応じて各
    ブロック毎のスキャン周期の選択を変更する請求項１６
    に記載の受波ビーム形成装置。
18. 【請求項１８】 前記ビーム形成手段は、読み出した各
    サンプリングデータと所定の係数とを乗算することによ
    って所定方向に受波ビームを形成するマッチドフィルタ
    であり、 該マッチドフィルタは、それぞれ異なる距離に受波ビー
    ムの焦点が結ぶ複数組の係数を備えた請求項１６または
    請求項１７に記載の受波ビーム形成装置。
19. 【請求項１９】 線状に配列された複数の超音波振動子
    が受信した信号を所定のスキャン周期でサンプリングし
    たサンプリングデータを入力し、該サンプリングデータ
    を複数スキャン周期分記憶する記憶手段と、 前記複数のスキャン周期のサンプリングデータを移相ま
    たは補間することによって、所定角度のサンプリング面
    の連続したサンプリングデータ列を形成するサンプリン
    グ面生成手段と、 該サンプリングデータを用いて所定方向に受波ビームを
    形成するビーム形成手段と、 を備えた受波ビーム形成装置。
20. 【請求項２０】 複数の超音波振動子が受信した信号の
    各々を、所定のスキャン周期で繰り返しサンプリング
    し、 複数のスキャン周期でサンプリングしたサンプリングデ
    ータに基づいて受波ビームを形成する受波ビーム形成方
    法。