【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、海底の堆積層に埋没している物体の探知や識別を行うためのソーナー装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
海底の堆積層に埋没している物体の探知あるいは識別などを行なうためには、堆積層内に音波を透過させる必要がある。しかし、高い分解能を得るために高周波数の音波を用いると、堆積層表面でほとんど反射してしまい、堆積層内には十分な音波が透過しない。さらに、透過した音波も高い周波数ほど減衰が大きいため、埋没物体からの反射波を検出することは非常に困難になる。
【０００３】
このため、埋没物体の探知などには数ｋＨｚの低周波数の音波を使用するのが望ましい。一方、音源の寸法Ｄ及び音波の波長λと、音波のビーム幅γとの間には、γ＝λ／Ｄの関係があり、送波する音波の周波数が低くした場合には波長λが大きくなる。したがって、高い方位分解能を得るためには、低周波数になるにつれて、音源の寸法を大きくし、ビーム幅を小さくすればよいが、航走体や曳航体に音源を搭載する場合には、音源の寸法や重量に制限をうける。
【０００４】
そこで、特許文献１に開示されているように、ビーム幅の広い低周波数の信号を合成開口処理して、高い方位分解能を得ることが行なわれている。これは、堆積層を透過する低周波数の音波の受信信号と、堆積層表面で反射されてしまう高周波数の音波の受信信号とを比較することで、海底に埋没している物体を探知する。
【０００５】
【特許文献１】
特許第２９１０７０４号明細書
また、小型な音源で低周波数の音波を送波するために、パラメトリックアレイを利用することが公知となっている。パラメトリックアレイは、周波数が高く、指向性に優れる一次波のエネルギーの一部が、海水の非線形音響伝播により二次波の成分である差周波数成分にエネルギーが移り、差周波数成分に関して仮想的なエンドファイアアレイが形成されたのと等価になる効果を利用するものである。低周波数でありながら、副極のない非常に鋭いビームを、小型な音源で実現できる。さらに、この低周波数成分は、一次波の差音として発生するため、一次波の周波数をわずかにずらすだけで、広帯域な低周波数音源が実現できる。
【０００６】
このようなパラメトリックアレイを海底の堆積層内の物体探知などへ適用したものとして、例えば、特許文献２に、パラメトリックアレイによるサブボトムプロファイラを構成し、ヘドロ層の厚さを計測するヘドロ探査機が記載されている。これは、パラメトリック効果により、鋭い指向性を有する低周波数の音波をヘドロ層に入射し、各層からの反射信号を受信すると共に、高周波数の音波も併用して、両者のラウンドトリップ時間差からヘドロ層の厚さを計測するものである。
【０００７】
【特許文献２】
特開昭５９−１４７２５７号公報
さらに、特許文献３には、パラメトリックアレイよりなる送波器により、鋭いビームを形成し、そのビーム方向を電子的あるいは機械的に走査することにより、埋没物体の広い領域における探知を行なうことが述べられている。
【０００８】
【特許文献３】
特開平５−２２３９２３号公報
上述したようなパラメトリックアレイの指向特性について、例えば、非特許文献１には、送波面を曲率半径Ｒの球面状とした場合、指向性関数Ｄ（θ）が（数１）のようになることが記されている。
【０００９】
【非特許文献１】
ビー ケイ ノビコフ、オー ヴィー ルデンコ、ヴィー アイ チャモシェンコ、「ノンリニア アンダーウォーター アコースティックス」、アメリカンインスティテュート オブ フィジックス、インクリメント（Ｂ．Ｋ．Ｎｏｖｉｋｏｖ、Ｏ．Ｖ．Ｔｉｍｏｓｈｅｎｋｏ、「Ｎｏｎｌｉｎｅａｒ ｕｎｄｅｒｗａｔｅｒ ａｃｏｕｓｔｉｃｓ」、Ａｍｅｒｉｃａｎ Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ ｏｆ Ｐｈｙｓｉｃｓ，Ｉｎｃ．）、１９８７年、１２月、ｐ．５９−６５
【００１０】
【数１】
Ｄ（θ）＝ｅｘｐ［−（Ｋａθ／２）２］π０．５（２Ｒ／ＫＬａθ）
×ｅｘｐ［（２Ｒ／ＫＬａθ）２｛１−（ＫＬθ２／４）２｝］
×｜１−Φ｛（２Ｒ／ＫＬａθ）（１＋ｉＫＬ（θ／２）２）｝｜ …（数１）
ここで、Ｋはパラメトリック差音の波長定数、Ｌは一次波の相互作用領域の長さ、ａは送波面の開口長半径、Φ（ｘ）は誤差関数、θは角度、ｉは虚数単位である。
【００１１】
【発明が解決しようとする課題】
上述したように、特許文献２や特許文献３に開示されているパラメトリックアレイは、低周波数で鋭いビームを小さな音源で送波することができる。しかし、特許文献２に記載の技術では、へドロ層を計測できる領域は、曳航体の真下付近に限られ、広い領域を計測するには、多大な時間を要し、非効率である。また、ヘドロ層と音源間の距離が離れるほど、方位分解能が低下してしまうとういう課題がある。
【００１２】
さらに、特許文献３に記載の技術では、パラメトリックアレイのビーム方向を二次元的に走査しているが、音源がある速度で動きながら埋没物体の探知を行なう場合、送波できるパルス数に制限が与えられ、やはり狭い領域の探知に限られてしまう。また、特許文献２に記載の技術と同じ課題があり、遠方になるほど方位分解能が低下するため、深く埋没した小さな物体を探知することができなくなる。
【００１３】
これに対し、上述の特許文献１に記載の技術では、受信信号を合成開口処理しているため、方位分解能は実際の物理的な音源寸法の１／２で定義され、距離や周波数によらず高い方位分解能を得ることができる。一方、高い距離分解能を実現するためには、広帯域の信号が必要であるが、パラメトリックアレイによって低周波数且つ広帯域の信号を送波すると、ビーム幅が小さいために合成開口アレイ長も小さくなり、方位分解能が低下してしまう。
【００１４】
パラメトリックアレイのビーム幅を広げるための一つの方法としては、送波器の開口長を小さくすることが考えられるが、この場合には十分な送波レベルが得られず、受信信号のＳ／Ｎ比が低下してしまう。
【００１５】
別の方法として、パラメトリックアレイ送波器の送波面を凸状にすることが考えられるが、上述した指向性関数Ｄ（θ）から明らかなように、Ｒを小さくして曲率を大きくしていくと、Ｄ（θ）はガウス関数ｅｘｐ［−（Ｋａθ／２）２］に漸近する。このため、ビーム幅を必要以上に広げることができないという問題があった。
【００１６】
本発明は、特に海底の堆積層に埋没した物体を探知するためのソーナー装置に関し、上述したような問題点に鑑みてなされたものである。
【００１７】
本発明の目的は、広いビーム幅を有し、広帯域且つ低周波数の音波を送波し、海底の堆積層に埋没している物体の探知や識別を、広い範囲で効率良く高分解能で行なうことが可能なソーナー装置を提供することにある。
【００１８】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本発明によるソーナー装置は、パラメトリック送波器と、パラメトリック送波器から送波される音波を受信する受波器と、受波器からの受信信号を合成開口法によって処理する合成開口処理部とを備え、パラメトリック送波器の送波開口部は、複数の部分開口部から形成されており、隣接する部分開口部を逆位相で駆動するよう構成される。このような構成によって、広いビーム幅を有する、広帯域且つ低周波数の音波を送波し、高分解能な埋没物体の探知を、広い範囲で効率良く行なうソーナー装置が可能となる。
【００１９】
また、本発明のソーナー装置は、複数の部分開口部は、１つないしは複数の圧電素子でそれぞれ構成されており、圧電素子の分極方向が、隣接する部分開口部で、逆向きになっている。このような構造によって、広いビーム幅を有する、広帯域且つ低周波の音波を送波する、できるだけ簡単で部品点数の少ない小型な送波器を有するソーナー装置が可能となる。
【００２０】
また、本発明のソーナー装置は、複数の部分開口部のそれぞれに接続された位相調整器と、位相調整器で与える位相変化を制御する制御装置とを備えている。このような構成によって、広帯域且つ低周波数の音波を送波する際、周囲の状況やオペーレーションの条件などにより、ビーム幅を変化させることができるソーナー装置が可能となる。
【００２１】
【発明の実施の形態】
本発明によるソーナー装置は、海底に埋没した物体を探知するために、広帯域且つ低周波数の音波を小型な音源で送波するためにパラメトリック送波器を用い、広範囲な探知を効率良く行ない、高分解能が達成できるように、受信信号を合成開口処理する。パラメトリック送波器は、複数の隣接した部分開口部を有しており、隣合う部分開口部は、逆位相で駆動され、高周波数の１次波をスプリット送波する。これによって、ビーム幅の広いパラメトリック２次波が送波され、受信信号を合成開口処理することによって、高い方位分解能が得られる。また、パラメトリック２次波の広帯域性によって高い距離分解能が得られる。また、低周波数であるため、海底の堆積層にも十分に音響エネルギが伝搬し、高いＳ／Ｎ比が得られる。
【００２２】
以下、本発明によるソーナー装置の実施例を図を用いて説明する。
（実施例１）
図１は本発明による実施例１のソーナー装置を示した構成図である。図１のソーナー装置は、パラメトリック送波器１００と、パラメトリック送波器１００を駆動する駆動電源１０と、パラメトリック送波器１００から送波される２次波を受信する受波器２００と、受波器２００からの受信信号を合成開口処理する処理装置３０とから構成されている。
【００２３】
パラメトリック送波器１００は、２枚の圧電素子１１０Ａ及び１１０Ｂが隣接して、分極方向１が逆向きになるように配置された構造になっている。圧電素子１１０Ａ及び１１０Ｂには、分極方向側に電極１１Ａ及び１１Ｂが、分極方向と反対側に電極１２Ａ及び１２Ｂがそれぞれ設けられている。電極１１Ａと電極１２Ｂはリード線１３Ａなどによって接続されており、電極１１Ｂと電極１２Ａはリード線１３Ｂなどによって接続されており、リード線１３Ａ及び１３Ｂは駆動電源１０に接続されている。これら圧電素子と電極からなる部分開口部１００Ａ及び１００Ｂは、モールド材５０などによって、水密構造となっており、送波面１１１を形成している。
【００２４】
駆動電源１０から、パラメトリック送波器１００に、異なる周波数成分を含んだ高周波数の１次波の送信信号が送られると、部分開口部１００Ａと１００Ｂは逆位相で駆動され、１次波がスプリット送波される。スプリット送波された１次波は、音波の非線形性により高調波成分を生じる。例えば、図２は周波数を４５ｋＨｚ、部分開口部１００Ａ及び１００Ｂの長さを２０ｃｍ、送波面１１１の送波面上における実効音圧振幅を１ａｔｍとした場合の、送波面１１１から垂直距離１０ｍの位置における、海水中の基本波及び高調波のビームパターンの解析結果を示した指向特性図である。図２に於いて、横軸は角度、縦軸は音圧レベル（ｄＢ）を示す。
【００２５】
図２において、実線は基本波成分４５ｋＨｚの指向性であり、太線、破線、一点鎖線は、それぞれ音波の非線形性から生じる第２、第３、第４高調波の指向性を示している。基本波の遠距離における指向性は、双極音源のそれと似たものとなり、音軸上で常に０となる。第３高調波成分も音軸上で０となるが、偶数次の高調波成分は音軸上で０とはならない。
【００２６】
音波のパラメトリック効果は、一般に二つの異なる周波数の音波の高調波成分が相互作用を及ぼし合い、結果として、差音周波数成分を仮想音源とするエンドファイアアレイが形成されることによる。このような高調波成分の相互作用は、図２の解析結果からも明らかなように、基本波成分が０となる領域でも生じる。
【００２７】
次に、上述のスプリット送波を行なった場合に形成されるパラメトリックアレイの指向性について述べる。
【００２８】
図３は、１次波の周波数を４５ｋＨｚ及び４８ｋＨｚとして、パラメトリック効果として生じる２次波差音３ｋＨｚ成分の、送波面１１１からの距離１０ｍにおけるビームパターンの解析結果を示した指向特性図である。図３に於いて、横軸は角度、縦軸は音圧レベル（ｄＢ）を示す。
【００２９】
図３において、実線はスプリット送波した場合の指向性を、破線は同位相で一様に駆動した場合の指向性をそれぞれ示している。図３中の実線、破線ともに、部分開口部１００Ａ及び１００Ｂの長さを２０ｃｍ、送波面１１１の送波面上における実効音圧振幅を１ａｔｍとして、媒質は海水を仮定している。
【００３０】
図３から明らかなように、同位相で一様に駆動した場合には、パラメトリックアレイ特有の鋭い指向性が形成されており、有効ビームとして一般に扱われる−３ｄＢビーム幅は、この場合、約１０．５度となっている。一方、スプリット送波した場合には、−３ｄＢビーム幅が約１８．５度となっており、ビーム幅を広くすることができる。
【００３１】
次に、図４（ａ）、（ｂ）に示すように、部分開口部１００Ａ及び１００Ｂからなる送波面１１１に開口角θを与え、凸状の送波面１１２を、部分開口部１１２Ａ及び１１２Ｂで形成した場合の、パラメトリックアレイのビーム幅について説明する。図４（ａ）は同相ピストン送波、図４（ｂ）はスプリット送波を示す。
【００３２】
図４（ｃ）は、様々な開口角θに対するパラメトリックアレイの−３ｄＢビーム幅を数値解析し、同相ピストン送波した場合（図４（ａ））と、スプリット送波した場合（図４（ｂ））との比較を示した開口角特性図である。図４（ｃ）に於いて、横軸は開口角、縦軸は−３ｄＢビーム幅（度）を示す。
【００３３】
図４における全ての解析では、部分開口部１１２Ａ及び１１２Ｂの長さを２０ｃｍ、送波面１１２の送波面上における実効音圧振幅を１ａｔｍ、音響媒質として海水を仮定し、１次波の周波数を４５ｋＨｚ及び４８ｋＨｚとして、パラメトリック効果として生じる差音３ｋＨｚ成分の、送波面からの距離１０ｍにおける−３ｄＢビーム幅を求めた。
【００３４】
図４から明らかなように、同相ピストン送波した場合にも、開口角θが大きくなるにつれて、−３ｄＢビーム幅が広がることがわかるが、同開口角においてはスプリット送波した場合の方がビーム幅を広くすることが可能であることがわかる。
【００３５】
上述のようにして送波されるパラメトリック２次波は、低周波数であるため、海底の堆積層などにも良く透過し、堆積層に埋没した物体などの反射エコーが、受波器２００によって検出される。受波器２００によって検出された受信信号は、広帯域な信号であるため、高い距離分解能が得られる。また、受波器２００によって検出された受信信号は、広い範囲の反射エコーが含まれており、処理装置３０で合成開口処理されることによって、十分な方位分解能が得られ、広い範囲の埋没物体が効率良く探知できる。さらに、送波器の寸法を変化させず、少ない部品点数、簡単な構造でパラメトリック２次波のビーム幅を広げることができる。
【００３６】
なお、図１あるいは図４における部分開口部１００Ａ、１００Ｂ、１１２Ａ、１１２Ｂは、図５に示すように、それぞれ小さな圧電素子２０Ａ及び２０Ｂを送波アレイ２１及び２２として並べて構成してもよいし、また、圧電素子２０Ａ及び２０Ｂの代わりにランジュバン型振動子を用いてもよい。この場合も、送波アレイ２１を構成する圧電素子２０Ａあるいはランジュバン型振動子の分極方向１Ａと、送波アレイ２２を構成する圧電素子２０Ｂあるいはランジュバン型振動子の分極方向１Ｂとを、逆向きにしておく。
（実施例２）
図６に本発明による実施例２のソーナー装置の構成図を示す。図６のソーナー装置の構成は、パラメトリック送波器１００が、部分開口部１００Ａ及び１００Ｂにそれぞれ接続された位相調整器４を介して、駆動電源１０に接続されており、位相調整器チャネル４Ａ及びチャネル４Ｂで与える位相変化を制御し、処理装置３０における受信信号処理方法を制御する制御装置４０が備えられていること以外は、図１の構成と同じである。
【００３７】
合成開口処理により方位分解能を高くするためには、より広いビーム幅が必要であるが、残響の影響などを受けやすくなるため、必要以上にビーム幅を広くすることは逆効果である。埋没物体の場所が限定できれば、パラメトリックアレイ特有の鋭く、副極の無い低周波ビームを利用して、方位分解能を高める方が望ましい。 そこで、本実施例においては、広範囲な探知を行なう場合、制御装置４０では、位相調整器チャネル４Ａとチャネル４Ｂで与える位相変化の差が０度となるように制御する。受波器２００で受信した受信信号は、処理装置３０で合成開口処理され、再構成画像が得られる。これによって、埋没物体の有無や、埋没物体が存在する可能性のある領域の限定が行なえる。
【００３８】
次に、限定された上記領域の海底面上に、本ソーナー装置を近づけ、制御装置４０は、位相調整器チャネル４Ａとチャネル４Ｂで与える位相変化の差が１８０度となるように制御する。これによってパラメトリック送波器１００の部分開口部１００Ａ及び１００Ｂは同位相で駆動され、図３の破線で示したような、鋭いパラメトリックビームが形成され、このパラメトリックビームによって、埋没物体の探知あるいは識別が行なわれる。また、このパラメトリックビームは副極が無いため、残響の影響を受けにくく、高いＳ／Ｎ比が得られ、その反射信号は受波器２００によって受信される。受信された信号は処理装置３０に送られ、処理装置３０では、探知及び識別のための任意の信号処理が行なわれ、画像化される。
【００３９】
このように、位相調整器４と、制御装置４０を付加することにより、埋没物体探知の様々なオペレーションが実現され、より確実な探知が可能となる。
【００４０】
以上、述べたように、本発明によるソーナー装置は、パラメトリック送波器と、パラメトリック送波器から送波される音波を受信する受波器と、受波器からの受信信号を合成開口法によって処理する合成開口処理部とを備え、パラメトリック送波器の送波開口部は、複数の部分開口部から形成されており、隣接する部分開口部を逆位相で駆動するよう構成される。このような構成によって、広いビーム幅を有する、広帯域且つ低周波数の音波の送波が可能となり、合成開口処理によって高分解能な埋没物体の探知を、広い範囲で効率良く行なうことができる。
【００４１】
また、本発明のソーナー装置は、複数の部分開口部は、一つないしは複数の圧電素子でそれぞれ構成されており、圧電素子の分極方向が、隣接する部分開口部で、逆向きになっている。このような構造によって、上記広いビーム幅を有する、広帯域且つ低周波の音波を送波する小型な送波器が、簡単な構造で得られる。
【００４２】
また、本発明のソーナー装置は、複数の部分開口部のそれぞれに接続された位相調整器と、位相調整器で与える位相変化を制御する制御装置とを備えている。このような構成によって、広帯域且つ低周波数の音波のビーム幅を変化させることができるので、周囲の状況や目的により、様々な探知オペレーションが可能になる。
【００４３】
【発明の効果】
本発明によれば、広いビーム幅を有し、広帯域且つ低周波数の音波を送波し、海底の堆積層に埋没している物体の探知や識別を、広い範囲で効率良く高分解能で行なうことが可能なソーナー装置を提供できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明による実施例１のソーナー装置を示した構成図。
【図２】スプリット送波される音波の基本波及び高調波のビームパターンの解析結果を示した指向特性図。
【図３】本発明のソーナー装置に含まれるパラメトリック送波器から送波される２次波差音のビームパターンの解析結果を示した指向特性図。
【図４】本発明のソーナー装置に含まれるパラメトリック送波器の送波面の開口角と、２次波差音のビーム幅との関係を示した特性図。
【図５】本発明のソーナー装置に含まれる、送波アレイを用いたパラメトリック送波器を示した構成図。
【図６】本発明による実施例２のソーナー装置を示した構成図。
【符号の説明】
１、１Ａ、１Ｂ…分極方向、４…位相調整器、４Ａ、４Ｂ…位相調整器チャネル、１０…駆動電源、１１Ａ、１１Ｂ、１２Ａ、１２Ｂ…電極、１３Ａ、１３Ｂ…リード線、２０Ａ、２０Ｂ、１１０Ａ、１００Ｂ…圧電素子、２１、２２…送波アレイ、３０…処理装置、４０…制御装置、５０…モールド材、１００…パラメトリック送波器、１００Ａ、１００Ｂ、１１２Ａ、１１２Ｂ…部分開口部、１１１、１１２…送波面、２００…受波器。[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention relates to a sonar device for detecting and identifying an object buried in a seabed sedimentary layer.
[0002]
[Prior art]
In order to detect or identify an object buried in the sedimentary layer on the seabed, it is necessary to transmit sound waves in the sedimentary layer. However, when a high-frequency sound wave is used to obtain high resolution, the sound wave is almost reflected on the surface of the deposition layer, and a sufficient sound wave does not pass through the deposition layer. Further, the higher the frequency of the transmitted sound wave, the greater the attenuation, so that it is very difficult to detect the reflected wave from the buried object.
[0003]
Therefore, it is desirable to use a low-frequency sound wave of several kHz for detecting a buried object. On the other hand, there is a relationship of γ = λ / D between the dimension D of the sound source, the wavelength λ of the sound wave, and the beam width γ of the sound wave, and when the frequency of the sound wave to be transmitted is reduced, the wavelength λ increases. Become. Therefore, in order to obtain high azimuth resolution, as the frequency becomes lower, the size of the sound source may be increased and the beam width may be reduced. Limited in size and weight.
[0004]
Therefore, as disclosed in Japanese Patent Application Laid-Open No. H11-157, a low-frequency signal having a wide beam width is subjected to synthetic aperture processing to obtain a high azimuth resolution. In this method, an object buried on the sea floor is detected by comparing a received signal of a low-frequency sound wave transmitted through the sedimentary layer with a received signal of a high-frequency sound wave reflected on the surface of the sedimentary layer.
[0005]
[Patent Document 1]
It is also known to use a parametric array to transmit a low-frequency sound wave with a small sound source. In the parametric array, a part of the energy of the primary wave having high frequency and excellent directivity is transferred to the difference frequency component, which is a secondary wave component, due to the non-linear acoustic propagation of seawater. This utilizes an effect equivalent to the formation of a fire array. Even at a low frequency, a very sharp beam without sub-poles can be realized with a small sound source. Further, since this low frequency component is generated as a difference sound of the primary wave, a wide band low frequency sound source can be realized only by slightly shifting the frequency of the primary wave.
[0006]
As an example in which such a parametric array is applied to the detection of an object in a sedimentary layer on the sea floor, for example, Patent Document 2 discloses a sludge probe that configures a sub-bottom profiler using a parametric array and measures the thickness of a sludge layer. Has been described. This is because, due to the parametric effect, a low-frequency sound wave having sharp directivity is incident on the sludge layer, a reflected signal from each layer is received, and a high-frequency sound wave is also used. Is to measure the thickness of the sheet.
[0007]
[Patent Document 2]
Further, Japanese Patent Application Laid-Open No. 59-147257 discloses that a sharp beam is formed by a transmitter composed of a parametric array, and the beam direction is electronically or mechanically scanned, so that the buried object has a wide area. Performing detection in the area is stated.
[0008]
[Patent Document 3]
[Patent Document 1] Japanese Patent Application Laid-Open No. 5-223923 Regarding the directional characteristics of the parametric array as described above, for example, in Non-Patent Document 1, when the transmitting surface is formed into a spherical shape with a radius of curvature R, the directivity function D (θ) becomes It is described that it becomes like 1).
[0009]
[Non-patent document 1]
BK Novikov, Ovie Rudenko, Vee Chamoshenko, "Nonlinear Underwater Acoustic", American Institute of Physics, Increment (BK Novovov, OV Timosenko, Nonlinear underwater cosplayer Acoustic Acoustic Acoustic Acoustic Acoustic Acoustic Acoustic Acoustic Acoustic Acoustic Acoustic Acoustic Acoustic Acoustic Acoustic Acoustic Acoustic Acoustic Acoustic Acoustic Acoustic Acoustic Acoustic Acoustic Acoustic Acoustic Acoustic Acoustic Acoustic Acoustic Acoustic Acoustic Acoustic Acoustic Acoustic Acoustics) Inc.), December 1987, p. 59-65
[0010]
(Equation 1)
D (θ) = exp [− (Kaθ / 2) 2 ] π 0.5 (2R / KLaθ)
× exp [(2R / KLaθ) 2 {1- (KLθ 2/4) 2}]
× | 1-Φ {(2R / KLaθ) (1 + iKL (θ / 2) 2 )} | (Equation 1)
Here, K is the wavelength constant of the parametric difference sound, L is the length of the interaction region of the primary wave, a is the aperture long radius of the transmitting surface, Φ (x) is an error function, θ is an angle, and i is an imaginary unit. is there.
[0011]
[Problems to be solved by the invention]
As described above, the parametric arrays disclosed in Patent Literature 2 and Patent Literature 3 can transmit a low-frequency, sharp beam with a small sound source. However, according to the technology described in Patent Document 2, the area where the sludge layer can be measured is limited to the area immediately below the towing body, and measuring a wide area requires a lot of time and is inefficient. In addition, there is a problem that the azimuth resolution decreases as the distance between the sludge layer and the sound source increases.
[0012]
Further, in the technique described in Patent Document 3, the beam direction of the parametric array is two-dimensionally scanned. However, when detecting a buried object while a sound source moves at a certain speed, the number of pulses that can be transmitted is limited. Given, it is still limited to detecting small areas. In addition, there is the same problem as the technique described in Patent Literature 2. Since the azimuth resolution decreases as the distance increases, it becomes impossible to detect a small object buried deep.
[0013]
On the other hand, in the technology described in Patent Document 1 described above, since the received signal is subjected to the synthetic aperture processing, the azimuth resolution is defined by １ ／ of the actual physical sound source size, and is independent of the distance and frequency. High azimuth resolution can be obtained. On the other hand, in order to achieve high distance resolution, a wideband signal is required, but when a low-frequency and wideband signal is transmitted by a parametric array, the synthetic aperture array length becomes small due to the small beam width, and the azimuth The resolution will be reduced.
[0014]
As one method for expanding the beam width of the parametric array, it is conceivable to reduce the aperture length of the transmitter. In this case, however, a sufficient transmission level cannot be obtained, and the S / N ratio of the received signal is reduced. The ratio will drop.
[0015]
As another method, it is conceivable to make the transmission surface of the parametric array transmitter convex, but as is clear from the above-mentioned directivity function D (θ), R is reduced and curvature is increased. And D (θ) asymptotically to the Gaussian function exp [-(Kaθ / 2) 2 ]. For this reason, there is a problem that the beam width cannot be expanded more than necessary.
[0016]
The present invention particularly relates to a sonar device for detecting an object buried in a seabed sedimentary layer, and has been made in view of the above-described problems.
[0017]
An object of the present invention is to transmit a wideband and low-frequency sound wave having a wide beam width, and to efficiently detect and identify an object buried in a sedimentary layer on the seabed in a wide range with high resolution. It is an object of the present invention to provide a sonar device capable of performing the above.
[0018]
[Means for Solving the Problems]
In order to achieve the above object, a sonar device according to the present invention comprises a parametric transmitter, a receiver for receiving sound waves transmitted from the parametric transmitter, and a synthetic aperture method for receiving signals from the receiver. A transmitting aperture of the parametric transmitter is formed from a plurality of partial apertures, and is configured to drive adjacent partial apertures in opposite phases. With such a configuration, a sonar device that transmits a wideband and low-frequency sound wave having a wide beam width and efficiently detects a buried object with high resolution in a wide range becomes possible.
[0019]
Further, in the sonar device of the present invention, the plurality of partial openings are each constituted by one or a plurality of piezoelectric elements, and the polarization directions of the piezoelectric elements are opposite to each other at the adjacent partial openings. I have. With such a structure, it is possible to provide a sonar device having a small beam transmitter as simple as possible and having a small number of components, which transmits a wideband and low-frequency sound wave having a wide beam width.
[0020]
Further, the sonar device of the present invention includes a phase adjuster connected to each of the plurality of partial openings, and a control device for controlling a phase change given by the phase adjuster. With such a configuration, a sonar device capable of changing the beam width depending on the surrounding conditions, operation conditions, and the like when transmitting a wideband and low-frequency sound wave can be provided.
[0021]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
The sonar device according to the present invention uses a parametric transmitter to transmit a wideband and low-frequency sound wave with a small sound source in order to detect an object buried under the sea floor, and efficiently performs a wide range of detection, The received signal is subjected to synthetic aperture processing so that the resolution can be achieved. The parametric transmitter has a plurality of adjacent partial openings, and the adjacent partial openings are driven in opposite phases to split-transmit a high-frequency primary wave. As a result, a parametric secondary wave having a wide beam width is transmitted, and high azimuth resolution can be obtained by subjecting the received signal to synthetic aperture processing. In addition, a high range resolution can be obtained due to the wide band property of the parametric secondary wave. Further, since the frequency is low, sound energy sufficiently propagates to the sedimentary layer on the seabed, and a high S / N ratio can be obtained.
[0022]
Hereinafter, an embodiment of a sonar device according to the present invention will be described with reference to the drawings.
(Example 1)
FIG. 1 is a configuration diagram illustrating a sonar device according to a first embodiment of the present invention. 1 includes a parametric transmitter 100, a driving power supply 10 for driving the parametric transmitter 100, a receiver 200 for receiving a secondary wave transmitted from the parametric transmitter 100, and a receiver 200. And a processing device 30 that performs a synthetic aperture process on a signal received from the wave device 200.
[0023]
The parametric transmitter 100 has a structure in which two piezoelectric elements 110A and 110B are arranged adjacent to each other so that the polarization direction 1 is opposite. The piezoelectric elements 110A and 110B are provided with electrodes 11A and 11B on the polarization direction side and electrodes 12A and 12B on the opposite side to the polarization direction. The electrode 11A and the electrode 12B are connected by a lead wire 13A or the like, the electrode 11B and the electrode 12A are connected by a lead wire 13B or the like, and the lead wires 13A and 13B are connected to the drive power supply 10. The partial openings 100A and 100B composed of the piezoelectric element and the electrode have a watertight structure by the molding material 50 and the like, and form a wave transmitting surface 111.
[0024]
When a high frequency primary wave transmission signal including different frequency components is transmitted from the drive power supply 10 to the parametric transmitter 100, the partial apertures 100A and 100B are driven in opposite phases, and the primary wave is split. Is transmitted. The split-transmitted primary wave generates a harmonic component due to the non-linearity of the sound wave. For example, FIG. 2 shows a case where the frequency is 45 kHz, the length of the partial openings 100A and 100B is 20 cm, and the effective sound pressure amplitude on the transmitting surface of the transmitting surface 111 is 1 atm, and the vertical distance is 10 m from the transmitting surface 111. FIG. 7 is a directional pattern diagram showing an analysis result of a beam pattern of a fundamental wave and a harmonic wave in seawater. In FIG. 2, the horizontal axis represents the angle, and the vertical axis represents the sound pressure level (dB).
[0025]
In FIG. 2, the solid line indicates the directivity of the fundamental wave component of 45 kHz, and the thick line, the broken line, and the one-dot chain line indicate the directivity of the second, third, and fourth harmonics, respectively, resulting from the nonlinearity of the sound wave. The directivity of the fundamental wave at a long distance is similar to that of the bipolar sound source, and is always zero on the sound axis. The third harmonic component also becomes 0 on the sound axis, but the even-order harmonic component does not become 0 on the sound axis.
[0026]
The parametric effect of sound waves is generally due to the fact that harmonic components of sound waves of two different frequencies interact with each other, resulting in the formation of an endfire array using a difference sound frequency component as a virtual sound source. Such an interaction of the harmonic components also occurs in a region where the fundamental component is 0, as is clear from the analysis result of FIG.
[0027]
Next, the directivity of a parametric array formed when the above-described split transmission is performed will be described.
[0028]
FIG. 3 is a directional characteristic diagram showing an analysis result of a beam pattern at a distance of 10 m from the transmission surface 111 of a 3 kHz component of a second-order difference sound generated as a parametric effect when the frequency of the primary wave is 45 kHz and 48 kHz. In FIG. 3, the horizontal axis represents the angle, and the vertical axis represents the sound pressure level (dB).
[0029]
In FIG. 3, the solid line indicates the directivity when split transmission is performed, and the broken line indicates the directivity when driven uniformly in the same phase. Both the solid line and the broken line in FIG. 3 assume that the length of the partial openings 100A and 100B is 20 cm, the effective sound pressure amplitude on the transmitting surface of the transmitting surface 111 is 1 atm, and the medium is seawater.
[0030]
As is clear from FIG. 3, when driven uniformly in the same phase, sharp directivity peculiar to the parametric array is formed, and the -3 dB beam width generally treated as an effective beam is about 10 0.5 degrees. On the other hand, in the case of split transmission, the -3 dB beam width is about 18.5 degrees, and the beam width can be widened.
[0031]
Next, as shown in FIGS. 4A and 4B, an opening angle θ is given to the transmitting surface 111 including the partial openings 100A and 100B, and the convex transmitting surface 112 is formed by the partial openings 112A and 112B. The beam width of the parametric array when formed will be described. FIG. 4A shows in-phase piston transmission, and FIG. 4B shows split transmission.
[0032]
FIG. 4 (c) shows a numerical analysis of the -3 dB beam width of the parametric array with respect to various aperture angles θ, and a case where the in-phase piston is transmitted (FIG. 4 (a)) and a case where the split transmission is performed (FIG. 4 (b)). FIG. 7 is an aperture angle characteristic diagram showing a comparison with FIG. In FIG. 4C, the horizontal axis represents the aperture angle, and the vertical axis represents the -3 dB beam width (degree).
[0033]
In all the analyzes in FIG. 4, the lengths of the partial openings 112A and 112B are 20 cm, the effective sound pressure amplitude on the transmission surface of the transmission surface 112 is 1 atm, seawater is used as an acoustic medium, and the frequency of the primary wave is 45 kHz. And 48 kHz, a -3 dB beam width at a distance of 10 m from the transmitting surface of a 3 kHz difference sound component generated as a parametric effect was obtained.
[0034]
As is clear from FIG. 4, even when the in-phase piston is transmitted, the beam width increases by −3 dB as the aperture angle θ increases. It can be seen that the width can be increased.
[0035]
Since the parametric secondary wave transmitted as described above has a low frequency, it is well transmitted through the sedimentary layer on the sea floor, and a reflected echo of an object buried in the sedimentary layer is detected by the receiver 200. Is done. Since the received signal detected by the receiver 200 is a wideband signal, a high distance resolution can be obtained. Further, the reception signal detected by the receiver 200 includes a wide range of reflected echoes, and a sufficient azimuth resolution can be obtained by performing the synthetic aperture processing in the processing device 30, and the buried object in a wide range Can be detected efficiently. Further, the beam width of the parametric secondary wave can be increased with a small number of parts and a simple structure without changing the dimensions of the transmitter.
[0036]
The partial openings 100A, 100B, 112A, and 112B in FIG. 1 or FIG. 4 may be configured by arranging small piezoelectric elements 20A and 20B as transmission arrays 21 and 22, respectively, as shown in FIG. Further, a Langevin type vibrator may be used instead of the piezoelectric elements 20A and 20B. Also in this case, the polarization direction 1A of the piezoelectric element 20A or the Langevin type vibrator forming the transmission array 21 and the polarization direction 1B of the piezoelectric element 20B or the Langevin type vibrator forming the transmission array 22 are reversed. Keep it.
(Example 2)
FIG. 6 shows a configuration diagram of a sonar device according to Embodiment 2 of the present invention. The configuration of the sonar device of FIG. 6 is such that the parametric transmitter 100 is connected to the drive power supply 10 via the phase adjuster 4 connected to the partial openings 100A and 100B, respectively, and the phase adjuster channels 4A and The configuration is the same as that of FIG. 1 except that a control device 40 that controls the phase change given by the channel 4B and controls the received signal processing method in the processing device 30 is provided.
[0037]
In order to increase the azimuth resolution by the synthetic aperture processing, a wider beam width is necessary. However, since the beam is easily affected by reverberation, increasing the beam width more than necessary is an adverse effect. If the location of the buried object can be limited, it is desirable to enhance the azimuth resolution by using a low-frequency beam without a subpole, which is unique to a parametric array. Therefore, in the present embodiment, when performing a wide range detection, the control device 40 controls so that the difference between the phase changes given by the phase adjuster channels 4A and 4B becomes 0 degree. The received signal received by the receiver 200 is subjected to a synthetic aperture process by the processing device 30 to obtain a reconstructed image. As a result, the presence or absence of a buried object and the area where the buried object may exist can be limited.
[0038]
Next, the present sonar device is brought close to the sea bottom in the limited area, and the control device 40 controls so that the difference between the phase changes given by the phase adjuster channels 4A and 4B is 180 degrees. As a result, the partial apertures 100A and 100B of the parametric transmitter 100 are driven in phase, and a sharp parametric beam is formed as shown by the broken line in FIG. 3, and the detection or identification of the buried object is performed by the parametric beam. Done. In addition, since this parametric beam has no subpole, it is hardly affected by reverberation, a high S / N ratio is obtained, and the reflected signal is received by the receiver 200. The received signal is sent to the processing device 30, where any signal processing for detection and identification is performed and imaged.
[0039]
As described above, by adding the phase adjuster 4 and the control device 40, various operations of buried object detection are realized, and more reliable detection becomes possible.
[0040]
As described above, the sonar device according to the present invention includes a parametric transmitter, a receiver for receiving a sound wave transmitted from the parametric transmitter, and a reception signal from the receiver by a synthetic aperture method. A transmitting aperture of the parametric transmitter is formed from a plurality of partial apertures, and is configured to drive adjacent partial apertures in opposite phases. With such a configuration, it is possible to transmit a wideband and low-frequency sound wave having a wide beam width, and it is possible to efficiently detect a buried object with high resolution over a wide range by the synthetic aperture processing.
[0041]
Further, in the sonar device of the present invention, the plurality of partial openings are each constituted by one or a plurality of piezoelectric elements, and the polarization directions of the piezoelectric elements are opposite to each other at the adjacent partial openings. I have. With such a structure, a small transmitter having a wide beam width and transmitting a wideband and low-frequency sound wave can be obtained with a simple structure.
[0042]
Further, the sonar device of the present invention includes a phase adjuster connected to each of the plurality of partial openings, and a control device for controlling a phase change given by the phase adjuster. With such a configuration, the beam width of a wideband and low-frequency sound wave can be changed, so that various detection operations can be performed depending on the surrounding conditions and purposes.
[0043]
【The invention's effect】
According to the present invention, a wide-band, low-frequency sound wave having a wide beam width is transmitted, and detection and identification of an object buried in a seabed sedimentary layer can be efficiently performed with high resolution over a wide range. Can be provided.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a configuration diagram illustrating a sonar device according to a first embodiment of the present invention.
FIG. 2 is a directional pattern diagram showing an analysis result of a beam pattern of a fundamental wave and a harmonic wave of a sound wave transmitted in a split manner.
FIG. 3 is a directional characteristic diagram showing an analysis result of a beam pattern of a secondary differential sound transmitted from a parametric transmitter included in the sonar device of the present invention.
FIG. 4 is a characteristic diagram showing a relationship between an aperture angle of a transmitting surface of a parametric transmitter included in a sonar device of the present invention and a beam width of a secondary differential sound.
FIG. 5 is a configuration diagram showing a parametric transmitter using a transmission array, which is included in the sonar device of the present invention.
FIG. 6 is a configuration diagram illustrating a sonar device according to a second embodiment of the present invention.
[Explanation of symbols]
1, 1A, 1B ... polarization direction, 4 ... phase adjuster, 4A, 4B ... phase adjuster channel, 10 ... drive power supply, 11A, 11B, 12A, 12B ... electrode, 13A, 13B ... lead wire, 20A, 20B, 110A, 100B: Piezoelectric element, 21, 22: Wave transmitting array, 30: Processing device, 40: Control device, 50: Mold material, 100: Parametric transmitter, 100A, 100B, 112A, 112B: Partial opening, 111 , 112: wavefront, 200: receiver.
