JP2002098746A - アーム展開方式配列型受波装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 特定の整相方位において、水平面ビームパタ
ーンの副極レベルが大きくならないようなアーム展開方
式配列型受波装置 【解決手段】 中心点Ｏから均等な角度で水平に展開す
る５本のアーム１〜５と、前記各アーム上に外側に向か
うほど同じ比率で間隔が狭くなるように配置された複数
の受波器１ａ〜１ｅ，２ａ〜２ｅ，３ａ〜３ｅ，４ａ〜
４ｅ，５ａ〜５ｅとを備えて、各アーム上で最も内側に
位置する受波器１ａ，２ａ，３ａ，４ａ，５ａと中心点
Ｏとの間隔を、受波対象の信号の最高周波数の海中波長
の２分の１より若干大きくしたもの。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、例えば小型の聴音
浮標（ソノブイ）等から海中に吊下して用いられるアー
ム展開方式の配列型受波装置に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】この種の装置は、海中で複数個の受波器
を水平面上に配列し、水平面上０°〜３６０°の全周方
向にビームを形成し、各ビーム出力におけるＳＮ比を向
上させて、目標信号の探知と方位の測定を行うものであ
る。小型の聴音浮標では、海中構造体の直径が高々数十
センチメートル以下であるのに対し、受波器の水平配列
面の直径は数メートル以上に及ぶのて、通常、中心の海
中構造体から複数本のアームを水平に展開し、各アーム
上に受波器を配列する構造としている。

【０００３】特に、受波装置から離れた位置の海中に音
源を設置し、音源から音響を送信し、目標からの反響を
受信するバイスタティック型用法の場合、海底や海面等
から反射したり、散乱したりして到来する残響を受波装
置がどの程度まで抑圧できるかが目標信号の検出能力を
左右する。受波装置は、配列された複数個の受波器出力
電圧を整相処理して水平面上の全周３６０°方向をカバ
ーする複数個の待ち受けビームを形成し、整相方向以外
の角度から到来する残響を抑圧す動作を行う。なお、こ
こで整相処理とは、各受波器の出力信号の位相もしくは
遅延時間の分布を制御して目的とする方向、形状のビー
ムを形成することであり、ビームフォーミング処理とも
言われる。

【０００４】しかしながら、このようにして形成される
ビームパターンには所望の主極以外に副極も生じるの
で、副極の生じる角度方向の残響の抑圧度は劣化する。
小型の聴音浮標を受信装置とするバイスタティック型用
法では、音源が設置される水平面上の角度は、全周３６
０°均等となるので、出来るだけ最大副極レベルを低く
する受波器の配列方法と整相方法を追求することとな
る。

【０００５】図７は従来の平面配列型受波装置の構造例
を示す平面図である。図７において、１１〜１５は中心
点Ｏから放射状に展開する５本のアームで、各アーム１
１〜１５は同一の長さを有しており、均等な角度間隔、
即ち、７２°間隔で水平に展開している。１１ａ〜１１
ｅはアーム１１上の受波器、１２ａ〜１２ｅはアーム１
２上の受波器であり、以下同様にして各アーム１１〜１
５上にそれぞれ５個ずつ受波器を配置して、合計２５個
による受波器構成とする。これら各アーム１１〜１５上
の受波器の配置は同一である。本受波装置では、アーム
上の受波器間隔、例えばアーム１１上では、１１ａ−１
１ｂ、１１ｂ−１１ｃ間、…、１１ｄ−１１ｅ間を測定
対象音響周波数の最高周波数の海中波長の２分の１に設
定し、他のアーム１２〜１５についても同様に設定す
る。

【０００６】図８〜図１１は、図７に示した従来の平面
配列型受波装置の異なる整相角度における水平方向ビー
ムパターンの計算結果例を示す図であり、各図の横軸は
アーム１１を０°の方位とした時計回りの水平角度を表
し、縦軸は主極のレベルで基準化したビーム出力レベル
をデシベル（ｄＢ）で表している。なお、図８は整相角
度＝０°の場合、図９は整相角度＝６°の場合、図１０
は整相角度＝１２°の場合、図１１は整相角度＝１８°
の場合のビームパターンである。

【０００７】また本計算例では周波数は受波対象信号の
最高周波数の場合としている。なお、整相角度が上記０
°〜１８°の範囲外、即ち整相角度が２４°〜３５４°
の範囲の場合のビームパターンは、図７に示した受波器
配列の対称性から０°〜１８°の場合のビームパターン
の繰り返しとなるので図示は省略している。図８〜図１
１により、最大の副極は、図１１の整相角度＝１８°の
場合であり、この場合に、水平角度＝１９８°の主極の
反対側に生じる副極レベルは、約−７．５ｄＢであるこ
とが判る。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】以上述べた様に、図７
に示した従来のアーム展開方式平面配列受波装置は、ア
ーム数が少なく経済的な装置を構成できる利点がある反
面、多数の受波器が直線上に等間隔で並ぶと、図１１で
示したように、特定の整相角度においてその水平面ビー
ムパターンの最大副極レベルが発生するという欠点をも
有している。このため、この従来のアーム展開方式平面
配列型受波装置により目標を検知する場合に、実際には
目標が存在しない副極の方位に目標が存在すると誤検知
する可能性があるという問題があった。

【０００９】

【課題を解決するための手段】本発明に係るアーム展開
方式平面配列型受波装置は、中心点から均等な角度で水
平に展開する５本のアームと、前記各アーム上に外側に
向うほど同じ比率で間隔が狭くなるように配置された複
数の受波器とを備えて、前記各アーム上で最も内側に位
置する受波器とアームの展開の中心点との間隔を、受波
対象の信号の最高周波数の海中波長の２分の１より若干
大きくしたものである。

【００１０】また本発明に係るアーム展開方式立体配列
型受波装置は、前記のアーム展開方式平面配列型受波装
置を鉛直方向に所定間隔で複数組積み重ねて立体配列構
造としたものである。

【００１１】

【発明の実施の形態】実施形態１ 図１は本発明の実施形態１に係るアーム展開方式平面配
列型受波装置の平面図である。図１において、１〜５は
放射状に展開する５本のアームで、各アーム１〜５は同
一の長さを有しており、中心点Ｏから等分な角度間隔、
ここではアームが５本あるので７２°間隔で水平に展開
している。１ａ〜１ｅはアーム１上にそれぞれ配置され
た受波器、２ａ〜２ｅはアーム２上にそれぞれ配置され
た受波器、３ａ〜３ｅはアーム３上にそれぞれ配置され
た受波器、４ａ〜４ｅはアーム４上にそれぞれ配置され
た受波器、５ａ〜５ｅはアーム５上にそれぞれ配置され
た受波器であり、各アーム１〜５上における受波器の間
隔は、アーム１〜５の外側に向かうほど、同じ比率で狭
くなるように配置されている。

【００１２】ここでは、アーム１上の受波器１ａ〜１ｅ
を例にとって説明すると、中心点Ｏから最も内側の受波
器１ａまでの間隔を「１」とすると、受波器１ａと受波
器１ｂとの間隔は、上記間隔「１」を受波対象信号の周
波数に応じて設定した数１．１２５で割った「０．８８
９」であり、受波器１ｂと受波器１ｃとの間隔は上記間
隔「０．８８９」を設定数１．１２５で割った「０．７
９０」となる。以下同様に、受波器１ｃと受波器１ｄと
の間隔は上記間隔「０．７９０」を設定数１．１２５で
割った「０．７０２」、受波器１ｄと受波器１ｅとの間
隔は上記間隔「０．７０２」を設定数１．１２５で割っ
た「０．６２４」となっている。

【００１３】また、受波器の間隔は受波対象の信号の海
中波長の２分の１にすると、最も効率良くビームパター
ンが形成できるので、中心点Ｏから最も内側の受波器１
ａまでの間隔は、受波対象信号の最高周波数の海中波長
の２分の１より若干大きい値にし、アーム上に並ぶ受波
器の間隔を、外側に向かうほど同じ比率で狭くすること
で、副極のレベルを抑制することができる。ここでは、
中心点Ｏから最も内側の受波器１ａまでの間隔を対象受
波対象信号の最高周波数の海中波長の「０．６５」倍と
する。

【００１４】この様に、中心点Ｏから放射状に展開する
５本のアーム上に配置した総計２５個の受波器が受信す
る音響信号を各検出方位毎に整相処理し、水平面上の全
周３６０°をカバーする複数個の待ち受けビームを形成
し、それぞれのビーム出力で到来する音波を受信して目
標信号の検出を行う。即ち目標信号の探知と方位の測定
を行う。図１のアーム展開式平面配列型受波装置は、中
心点から等分な角度で水平に展開する５本のアームと、
前記各アーム上に外側に向かう程同じ比率で間隔が狭く
なるように配置された複数の受波器とを備えることで、
配列した受波器が直線上に等間隔で並ぶことがないよう
にし、副極のレベルを抑制している。

【００１５】図２〜図５は、図１に示したアーム展開方
式平面配列型受波装置の異なる整相角度における水平方
向ビームパターンの計算結果例を示す図である。なお、
この計算では、各受波器の利得は均一であるとしている
（一般にシェーディングを行っていないという）。各図
の横軸はアーム１を０°の方位とした時計回りの水平角
度を表し、縦軸はビーム出力レベルを主極出力レベルで
基準化してデシベル（ｄＢ）で表している。ここで、図
２は整相角度＝０°の場合、図３は整相角度＝６°の場
合、図４は整相角度＝１２°の場合、図５は整相角度＝
１８°の場合のビームパターンである。また計算周波数
は受波対象信号の最高周波数の場合としている。

【００１６】なお整相角度が上記０°〜１８°の範囲
外、即ち整相角度が２４°〜３５４°の範囲の場合のビ
ームパターンは、図１に示した受波器配列の対称性から
０°〜１８°の場合のビームパターンの繰り返しとなる
ので図示は省略した。上記により、図２〜図５の表現方
法は、従来装置の図８〜図１１で用いた表現方法と同一
である。

【００１７】図５の計算例によるビームパターンは、周
波数＝最高周波数、整相角度＝１８°の場合であり、前
記図７の５本アーム型受波装置における周波数＝最高周
波数、整相角度＝１８°の場合の水平方向ビームパター
ンを計算した図１１に対応している。図１１において
は、水平角度＝１９８°に生じる副極が最大レベルとな
り、その大きさは約−７．５ｄＢとなっているが、図５
においては、水平角度＝１９８°に生じる副極レベルは
約−１１．５ｄＢであり、図１１の５アーム型より約４
ｄＢ改善された低レベルになっている。

【００１８】実施形態２ 実施形態２は、実施形態１で示したアーム展開方式平面
配列型受波装置を鉛直方向に所定間隔で複数段積み重ね
て立体配列構造の受波装置としたものである。図６は本
発明の実施形態２に係るアーム展開方式立体配列型受波
装置の構造図であり、同図の（ａ）は上面図、（ｂ）は
正面図である。図６の（ａ）に示す本実施形態２の立体
配列型受波装置の水平面上の構造は、図１に示した実施
形態１の構造と同一であり、これを平面配列型受波器ア
レイ６という。

【００１９】次に、図６の（ｂ）を用いて本実施形態２
の立体配列型受波装置の鉛直方向の構造について説明す
る。図６の（ｂ）における第１段目の最上層は、図の
（ａ）で説明した平面配列型受波器アレイ６をアレイ平
面に沿って正視したもので、中心点はＯであり、受波器
は、表記上の煩雑さを避けるために、図の（ａ）の最外
側の受波器１ｅ，２ｅ，３ｅ，４ｅおよび５ｅのみを示
している。図６の（ｂ）における第２段目の層は、最上
段の層から間隔ｔだけ鉛直方向下方に位置する。第２段
目の層において、受波器の配列は第１段目の層を形成す
る平面配列型受波器アレイ６と同一であり、図の（ａ）
のように５本のアーム上に合計２５個の受波器が配置さ
れている。

【００２０】同様に、この第２段目の層の下方の間隔ｔ
だけ鉛直方向に離れた位置に第３段目の層を形成する平
面配列型受波器アレイ６が配置されており、本実施形態
２の立体配列型受波装置は、図６の（ａ）に示す平面配
列型受波器アレイ６を、各受波器が鉛直直線上に位置す
るように鉛直方向にそれぞれ間隔ｔだけ離して３組重ね
た構造となっている。ここで、図６の（ｂ）における鉛
直方向の受波器間隔ｔは、最高音響周波数の水中波長の
２分の１に設定する。これは受波器の間隔を受波対象の
信号の海中波長の２分の１にすると、最も効率良くビー
ムパターンが形成できるからである。

【００２１】本実施形態２の立体配列構造においても、
実施形態１の場合と同様に各検出方位毎に整相処理して
用いられる。そして平面配列型受波器アレイ６を積み重
ねているので、その水平面のビームパターンは、実施形
態１で示したビームパターンと同一となり、且つ、その
鉛直面のビームパターンは、鉛直３素子直線アレイのビ
ームパターンと平面配列型受波器アレイ６（実施形態１
によるもの）のビームパターンとの積となる。このよう
な構造の立体配列型受波装置とすることにより、実施形
態１の場合と同様に水平面方向から到来する音波に対し
て水平面ビームパターンの副極レベルを抑圧できると共
に、水平面に対して鉛直方向にある角度（例えば水平面
±３０°程度）をもって到来する音波に対しても同じよ
うな副極レベルの改善を得ることが可能となる。

【００２２】なお本実施形態２の立体配列受波器アレイ
では、平面配列受波器アレイを鉛直方向に３枚積み重ね
た例を示したが、本発明はこの３枚に限定されるもので
はなく、前記水平面に対する鉛直方向の角度範囲（視野
角）に応じた枚数とすればよい。

【００２３】

【発明の効果】以上のように本発明のアーム展開方式平
面配列型受波装置は、中心点から均等な角度で水平に展
開する５本のアームと、前記各アーム上に外側に向かう
ほど同じ比率で間隔が狭くなるように配置された複数の
受波器とを備えて、前記各アーム上で最も内側に位置す
る受波器とアームの展開の中心点との間隔を、受波対象
の信号の最高周波数の海中波長の２分の１より若干大き
くしたので、特定の整相角度で、多数の受波器が直線上
に等間隔で並ぶことがなく、水平面のビームパターンに
おける副極の出力レベルを抑圧することができる。

【００２４】また本発明のアーム展開方式立体配列型受
波装置は、前記のアーム展開方式平面配列型受波装置を
鉛直方向に所定間隔で複数組積み重ねて立体配列構造と
したので、水平面方向からの到来音波のみならず、水平
面に対して鉛直方向にある角度をもって到来する音波に
ついても、前記と同様に副極の出力レベルを抑圧するこ
とができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施形態１に係るアーム展開方式平面
配列型受波装置の平面図である。

【図２】図１の受波器配列におけるビームパターンの計
算例（１）を示す図である。

【図３】図１の受波器配列におけるビームパターンの計
算例（２）を示す図である。

【図４】図１の受波器配列におけるビームパターンの計
算例（３）を示す図である。

【図５】図１の受波器配列におけるビームパターンの計
算例（４）を示す図である。

【図６】本発明の実施形態２に係るアーム展開方式立体
配列型受波装置の構造図である。

【図７】従来の平面配列型受波装置の構造例を示す平面
図である。

【図８】図７の平面配列型受波装置の水平方向ビームパ
ターンの計算例（１）を示す図である。

【図９】図７の平面配列型受波装置の水平方向ビームパ
ターンの計算例（２）を示す図である。

【図１０】図７の平面配列型受波装置の水平方向ビーム
パターンの計算例（３）を示す図である。

【図１１】図７の平面配列型受波装置の水平方向ビーム
パターンの計算例（４）を示す図である。

【符号の説明】

１〜５ アーム １ａ〜１ｅ 受波器 ２ａ〜２ｅ 受波器 ３ａ〜３ｅ 受波器 ４ａ〜４ｅ 受波器 ５ａ〜５ｅ 受波器 ６ 平面配列型受波器アレイ Ｏ 中心点

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 中心点から均等な角度で水平に展開する
   ５本のアームと、前記各アーム上に外側に向かうほど同
   じ比率で間隔が狭くなるように配置された複数の受波器
   とを備えて、前記各アーム上で最も内側に位置する受波
   器とアームの展開の中心点との間隔を、受波対象の信号
   の最高周波数の海中波長の２分の１より若干大きくした
   ことを特徴とするアーム展開方式平面配列型受波装置。
2. 【請求項２】 請求項１に記載のアーム展開方式平面配
   列型受波装置を鉛直方向に所定間隔で複数組積み重ねて
   立体配列構造としたことを特徴とするアーム展開方式立
   体配列型受波装置。
3. 【請求項３】 前記請求項１に記載のアーム展開方式平
   面配列型受波装置を鉛直方向に複数組積み重ねる所定間
   隔は、受波対象の信号の最高周波数の海中波長の２分の
   １またはほぼ２分の１とすることを特徴とする請求項２
   記載のアーム展開方式立体配列型受波装置。