JP2006527361A - 音響マルチスタティック・システムの構造 - Google Patents

Abstract

【解決手段】本発明はソナー・エコー検知の役目をする送信基地と受信基地の間の特定の通信モードを有するマルチスタティック・ソナー・システムに関する。本システムは特に、一般に用いられる無線通信又は衛星通信の使用により引き起こされる障害を回避することを可能にする。
送信基地により送信される信号は、本発明によるシステムの動作モードに関連する情報、特に送信の瞬間及び厳密な意味でのソナー・パルスを運ぶ通知パルスを備える。
本システムは特に周辺の物体の検知及び位置測定、又は自律的な水中機の位置測定を制御するための、潜水中の水中船による利用を意図している。

Description

本発明はソナー・エコーを検知するための、送信基地と受信基地との間の通信が音響的になされるマルチスタティック・ソナー・システムに関する。このシステムは特に、一般に送信及び受信機能を同期させるために用いられる無線通信、又は衛星通信の使用によって引き起こされる障害を回避することを可能にする。このシステムは特に潜水中の水中船に使用されることを意図している。

マルチスタティック・ソナー・システムの重要な特徴はソナー・パルスがそこから発生する送信基地と、ソナー・エコーを検知し位置を測定する役目の受信基地との間に存在する物理的な分離にある。そのようなシステムは特に、その複合性が地理的状況及び動作状況に適合しうる、柔軟でモジュール式の構造を有するという利点を示す。このように形成されたマルチスタティック・ソナーは、場合によっては数量が可変の受信基地を備えることが可能である。一方で、そのような構造はソナー・パルスを合成し送信する送信基地と、エコーを受信する受信基地との間に通信手段の存在を必要とする。事実、同期検波を得ようと望む限り、受信基地はシステムの動作パラメータを知らされていなければならない。これらのパラメータは、例えば送信されるパルスのタイプ、送信周波数、反復周期、あるいは送信の瞬間に関する詳細を提供する。エコーの到着の瞬間の測定を明示することを可能にする送信基地の位置及び受信基地の位置などの、他の情報もまたこれらの通信手段を通じて渡る。

送信基地と受信基地のとの間の通信を確立するため、例えばＲＦリンクまたは衛星回線のような無線リンクを使用することは、良く知られた最近の慣例である。

伝送される情報は一般に二つのタイプである。

−送信パルスの性質（符号化、時間長など）、送信基地の位置、ソナー・システムの全般構成、あるいはデータ情報に関する状況情報。

−ソナー・パルスの送信の瞬間を正確に確定し、受信基地から返ったエコーを持つ物体とを隔てている距離を計算することを可能にする、同期化情報。

本明細書では、以下この情報をモード情報と呼ぶ。

無線リンクの使用は、送信信号のバンド幅が相当広くなりうる大量の情報の同時伝送を可能にするという利点を有する。一方、ある程度の数の状況においては、無線リンクの使用は困難または不可能でさえもあることが分かっている。それは特に潜水中の潜水艦に関する場合である。また例えば稼動の背景が秘密上の理由から無線リンクの使用を除外する場合も当てはまる。

本発明の対象は、送信基地と受信基地との間の動作情報の伝送が音響信号を用いて行なわれるマルチスタティック・ソナー・システムを提案することにより、これらの障害を軽減する。

本発明によるシステムは他の利点の中でも、送信基地と受信基地の潜水深さにかかわりなく動作する利点を有し、従って潜水中の潜水艦に適用しうる。本発明はまた動作情報のリアルタイム伝送を可能にする利点を有する。この情報はソナー・パルスのリズムに合わせて伝送される。動作情報及びソナー・パルスを運ぶ音響信号は単一の送信装置によって好都合に伝送され、二つの信号は可変でその値が動作情報の中に含まれうる時間間隔Δｔにより分離されている。後者の信号は更に暗号化されてもよい。

他の特性及び利点は図１〜３で示される記述に沿って明らかになろう。

図１〜３の説明図は本発明の記述を容易にするための例として提供されている。それらは勿論本発明による構造又はシステムの実施形態に関する制限を表わさない。

図１は従来技術から知られる代表的なマルチスタティック・ソナー・システムを表わす。

この構造は一つの送信基地と一つ以上の受信基地を含む。明確化のため、図１は一つのみの受信基地を描いている。

送信基地１１は一つの部分組立品がソナー・パルスの送信用であり、もう一つの部分組立品は動作情報の伝送用である、主として二つの部分組立品を含む。これらの二つの部分組立品は更にソナー管理装置１２によって管理される。

ソナー・パルスを送信するための部分組立品は、従来の方法でソナー送信器１３及び音響アンテナ１４を備えている。

モード情報を伝送するための部分組立品は無線送信機１５及びアンテナ１６を備えている。

対称なやり方で、各受信基地１７はソナー送信１１２でカバーされる領域にある物体１１４により反射される、ソナー・エコー１１３を受信するための部分組立品を含む。この部分組立品自体は音響アンテナ１８及び受動のソナー受信機１９を含む。

受信基地１７はまた、それ自身がアンテナ１１０及び無線受信機１１１を含む、動作情報受信用の部分組立品を備えている。

図１の図解はそのような構造の制限についての理解を可能にする。特に、送信基地と受信基地との間の通信用の電気的無線リンク１１５の使用は、少なくとも要素１６と２０が水面上に残ることを必然的に意味する。該システムは従って深い所で移動している潜水艦により運ばれる基地１１及び１７に何とか適合し得る。更に、稼動状態の下であっても、送信基地が幾つかの受信基地と通信出来なければならない限り、指向性の高い無線送信を用いることは困難であることに注意されたい。送信基地と受信基地の通信は、従って気象条件に敏感で、あまり機密性が無くそして敵対する要素によって検知されうる送信を生み出す。これは妨害電波又は撹乱の著しいリスクをもたらす。システムの存在を顕わすこの機密性の欠如により、このシステムは無効と宣告されかねない。

更に、図１により表わされている構造は、動作情報の伝送がこの機能に特有でソナー・パルスの送信と無関係の伝送チェーン１５、１６を要するというその構造において、複雑であることが分かる。

図２は本発明によるシステムの基本構造を図式的に示している。図１に記載されているように、このシステムは送信基地２１及び、一般に幾つかの受信基地２２を含む。他方で、図１に表わされているシステムに反して、基地２１は基地２２と音響リンクを介して通信する。モード情報及びソナー・パルスは従って同じチャンネルを通じて伝送される。

このため、送信基地２１は変調された音響パルス２１０の発生を可能にする変調器２３を含む。このパルスは符号化装置２４を用いて符号化されたモード情報により変調される。情報の符号化は、例えば情報の表示に必要な多くのビットを含むバイナリー・メッセージの作成であってもよい。変調器２３はバイナリー・メッセージからなる信号を用いた音響パルスの変調を可能にする。生み出された変調は、例えば周波数ホッピング又は位相ホッピングによる変調から成ってもよい。モード情報を運ぶ変調音響パルスは、また通知パルスとも呼ばれる。

送信基地２１はまた管理装置１２により用意された通知パルスとソナー・パルス２１１のパルス合計の計算を可能にする加算器２５を備える。それは最終的に、合計信号２１２を伝播媒体へ送信するソナー送信機１３及び音響アンテナ１４を備える。

類似の方法で、各受信基地の構造はモード情報及び一つの同じ受信チャンネルのソナー・エコーの受信に適応させられる。このため、該基地は受信信号を電気信号２４に変換する単一の音響アンテナ１８を備える。受信信号は一方で直接伝送２１５により送信基地から来る情報メッセージに相当し、他方でソナー送信２１６によってカバーされる領域内で見出され得る物体２１８で反射されるエコー２１７に相当する。該受信基地はまた通知パルスからのソナー・エコーの分離を可能にするセパレータ装置２６を備える。それはまたソナー・エコーの受信を最適化するような方法で、受信機１９を構成するために要するモード情報の復元を可能にする復調器２７及び復号器２８を備える。それは最後に物体１１４の位置を割り出すような方法で、受信したソナー・エコーを処理する処理手段２９を備える。

変形構造によれば、幾つかの水中聴音器を備えた音響アンテナの場合、一定の水中聴音器をより具体的に通知パルスの受信に割り当てることが可能である。受信基地のアンテナは、その結果二つの部分組立品に分割される。この構造は通知パルスの受信及びソナー・エコーの受信用回線の完全な分離に至る可能性があり、受信基地はそのとき如何なるセパレータ装置２６も、もはや含まない。

図２で認めうるように、本発明によるシステムの構造は何ら電気的な無線リンクを含まず、従って完全な潜水状態において動作可能であるという利点を有する。それはまたモード情報及びソナー・パルスを一つの同じチャンネルを通じて渡すことを可能にし、従って二つの信号間の時間的一致の確保を可能にする。

本発明によるシステムの構造は、モード情報の符号化２４及び復号化２８の手段に関連する暗号化／復号化手段により有利に補われ得る。これらの手段は、第三者による直接のモード情報読み取りを防止する効果を有する。

図３は本発明によるシステムで利用される信号の構造を一般的な方法で図式的に表わす。図３に表わされる信号は送信基地２１により受信基地へ向けて送信される。それは特に図２の直接のルート２１５を辿るモード情報を含む通知パルス３１を備える。

送信された信号はまた、厳密な意味でのソナー・パルス３２を含む。図３において送信信号を構成する二つのパルスは、時間間隔Δｔにより隔てられる。この時間間隔は、特にシステムを構成するさまざまな受信基地がソナー・パルスのエコーを受信する前に、通知パルスを受信及び復号化することを可能にする。通知パルスにより運ばれたモード情報は受信基地により、送信されたパルスの形状に従ってそれらの受信機を構成するために用いられる。

期間Δｔは用途に応じて可変であってもよい。それは例えば各動作モード用にあらかじめ決められ、受信基地に知られていてもよい。それはまたシステムの動作の間は固定され、モード情報として受信基地に伝送されてもよい。Δｔの値に対する制約は、特にソナー・パルスからのエコーを受信する前にそれら自身を構成するため、及び必要な音響ルートの期間を考慮に入れるために受信基地が要する時間によって課せられる。

特定の実施形態においては、ゼロの時間間隔Δｔさえ想定されてもよい。二つのパルスはそのとき直ちに連続する。

図３に表わされるように、送信基地により送信される信号は本発明によるシステムの場合、異なる構造の二つのパルスで形成された複合信号である。

該ソナー・パルスはどこでも知られている従来の形状のパルスである。それは例えば固定周波数、あるいは特定の変調規則を割り当てられた周波数であってもよい。

通知パルスはそれに関して特定の変調の対象を形成する。変調信号は伝送されるモード情報の全体の組み合わせを表わす。それは例えばバイナリー形式に置かれたモード情報に関連するデータの連続から成る。これらの連続したデータは、伝送される情報の性質に依存する所定の数のビットを含む言語またはフレームを形成する。

この信号は、例えばモデムタイプのデジタル変調装置を通じて通知パルスを変調する。前述のように、変調コードは例えば、位相又は周波数ホッピング、位相及び周波数ホッピング、あるいは他の如何なるデジタル符号化による符号化であってもよい。

通知パルスの継続時間は受信基地に伝送されるモード情報の量に依存する。実際には通知パルスの継続時間は数秒のオーダーである。数百から数千ビットの情報を伝達するのに要する時間に相当するこの継続時間は、ソナー発信機の従来のバンド幅に適合する。本発明によるシステムは、従って有利にも特別な送信手段の使用を必要としない。それゆえ、例えば１ｋＨｚに等しいバンド幅をもつ送信機は、およそ１キロビットに等しい長さのモード・メッセージを伝える１秒の通知パルスを伝送可能である。

本発明によるシステムの動作方式は図２及び３を活用して記述しうる。送信基地により送信される信号は、二つのパルス―通知パルス３１及びソナー・パルス３１―を備えた信号である。該送信基地は例えば潜水艦のアクティブ・ソナーであってもよい。通知パルスは直接的な仕方で受信基地により受信される。それぞれの受信基地は更に既知の方法で、送信基地に関するその位置の確定を可能にする手段を備える。各基地はモード情報の復号化を実施する。この情報は特に、通知パルスの送信の瞬間をソナー・パルスの送信の瞬間から分離する、時間の値Δｔを含む。Δｔを知ることは、受信基地がソナー・パルスの送信の瞬間を確定し、そして送信されたパルスとエコーの到着の瞬間との間の遅れの測定を行なうことを可能にする。受信基地の集合は従ってマルチスタティック・アクティブ・ソナーのように機能する。

図２の図解において、送信基地は単一のソナー送信機を備えているように表現され、通知パルス及びソナー・パルスは一つの同じ送信機１３により送信されている。この解決策は大きさ及び価格の点から見て経済的な実施形態を表わす。それにもかかわらず、この解決策は限定的でなく、二つの別個の送信機の必要性が明らかな場合には、勿論二つの異なる音響送信機を使うことが可能である。

本システムの一つの実施形態によれば、ソナー・パルスの送信の瞬間は通知パルスの受信の瞬間から推定される。受信基地は例えば通知パルスの包絡線検波を行ない、そしてソナー・パルスに通知パルス及びΔｔの受信の瞬間に依存する送信の瞬間を割り当てる。

別の実施形態によれば、受信基地と送信基地はあらかじめ同期されている。モードデータは従ってソナー・パルスの送信の正確な日時を備えた情報を統合し、それにより受信基地がソナー・パルスの送信の瞬間を確定することを可能にする。

送信された信号の構造は、システムをパラメータ化できるよう表現する利点を有し、従って容易に適応可能である。特に、通知パルスを通じて伝送できる情報のおかげで、それはシステム構成をリアルタイムに修正可能にする。伝送される情報に応じて、それは例えばソナー・パルスの送信周波数、その変調方式、あるいはソナー・パルスから通知パルスを分離する間隔Δｔの値の変更を可能にする。―そのようなソナーに対する防御は従って困難と判定される。更に図２に表わされるように、変調の前にモード情報の暗号化を行なうことができる。このようにして、復号化キーのない場合にはシステムのモード・パラメータへのアクセスを得ることは不可能である。

上記の明細書において、述べられた送信モードは二つのパルスから成る、システム的に送信される信号を備える。そのような信号は、特に或るモード情報を一つの送信から次に向かって修正できることが望まれる場合に必要とされる。それにもかかわらず、動作パラメータが比較的長期にわたり不変のままである、より単純な動作モードを想定することが可能である。この場合、例えば送信信号が、時には送信パルスが後に続く通知パルスからなり、また時には単に送信パルスからなるシステムを設計することができる。また送信信号が、幾つかの送信パルスが後に続く通知パルスからなるシステムを設計することもできる。本発明に従ったシステムにより送信されるパターンは用途に応じてさまざまな形態をとることが可能である。

前述のように、本発明によるシステムは特に監視の下にある領域内にある物体から来るエコーの位置測定のための、マルチスタティック・ソナーの実現に適用される。しかしながら、この適用は想定され得る一つのものだけではなく、また該システムの用途分野を何ら制限しない。それは例えば自律式の水中車両の位置測定を行なうために使用することも可能である。本タイプの適用において、送信基地は自律的な船舶に位置し、受信基地は例えば水上の船舶に位置する。

従来の技術によるマルチスタティック・ソナー・システムの説明図である。 本発明によるシステムの説明図である。 本発明によるシステムで送信された音響信号の構造の説明図である。

Claims (12)

1. マルチスタティック音響システムであって、少なくとも
   −ソナー・パルスの送信手段を含む送信基地と、
   −ソナー・エコーの受信及び処理手段を含む受信基地とを備え、
   前記送信基地がまた前記受信基地にモード情報を伝送する手段を備えるシステムにおいて、
   前記モード情報が通知パルスにより音響の形で受信基地に伝送され、前記通知パルスが前記モード情報を含む信号により変調されていることを特徴とするシステム。
2. 前記二つのパルスがシステムの動作モードに依存し、そして前記受信基地に知られている時間間隔Δｔによって分離されていることを特徴とする請求項１に記載のシステム。
3. 前記二つのパルスが、その期間が前記モード情報とともに前記受信基地に伝送されている時間間隔Δｔによって分離されていることを特徴とする請求項１に記載のシステム。
4. Δｔがゼロに等しく、前記二つのパルスが連続していることを特徴とする請求項２または３に記載のシステム。
5. 通知パルス及びソナー・パルスが、前記二つのパルスを相次いで送信する単一の送信機により送信されることを特徴とする請求項１〜４のいずれか一項に記載のシステム。
6. 前記モード情報を含む変調信号による前記通知パルスの変調がデジタル符号化であることを特徴とする請求項１に記載のシステム。
7. 前記モード情報を含む前記変調信号による前記通知パルスの変調が位相ホッピング符号化であることを特徴とする請求項１に記載のシステム。
8. 前記モード情報を含む前記変調信号による前記通知パルスの変調が周波数ホッピング符号化であることを特徴とする請求項１に記載のシステム。
9. 前記ソナー・パルスの送信の瞬間が、前記受信基地による前記通知パルスの受信の瞬間及び前記動作モードに基づいて割り出されることを特徴とする請求項１〜８のいずれか一項に記載のシステム。
10. 前記ソナー・パルスの送信の瞬間が、前記モード・メッセージに含まれる前記ソナー・パルスの送信日時に基づいて割り出されることを特徴とする請求項１〜７のいずれか一項に記載のシステム。
11. 前記モード情報を暗号化する手段を備えることを特徴とする請求項１〜１０のいずれか一項に記載のシステム。
12. 自律的な潜水艦の位置測定を制御する本発明による装置の適用。

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