JP2008268046A - Ultrasonic detector and sonar device - Google Patents
Ultrasonic detector and sonar device Download PDFInfo
- Publication number
- JP2008268046A JP2008268046A JP2007112643A JP2007112643A JP2008268046A JP 2008268046 A JP2008268046 A JP 2008268046A JP 2007112643 A JP2007112643 A JP 2007112643A JP 2007112643 A JP2007112643 A JP 2007112643A JP 2008268046 A JP2008268046 A JP 2008268046A
- Authority
- JP
- Japan
- Prior art keywords
- ultrasonic
- excitation signal
- transducer
- transducers
- array
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Pending
Links
Images
Landscapes
- Measurement Of Velocity Or Position Using Acoustic Or Ultrasonic Waves (AREA)
Abstract
Description
本発明は、超音波探知装置およびソーナー装置に係り、特に直線状振動子アレイを送受波器とする超音波探知装置およびソーナー装置に関する。
である。
The present invention relates to an ultrasonic detector and a sonar device, and more particularly to an ultrasonic detector and a sonar device using a linear transducer array as a transducer.
It is.
水面又は水中を航走する移動体には、衝突回避等を意図してその進行方向に存在する水中障害物を常に探索する必要性があり、そのための対策として、多くはソーナー装置(水中超音波探知装置)が装備されている。
この場合、水面を航走する船舶(移動体)にあっては、暗礁等の障害物を探索するために、常に船首の前方下方を探索する必要性がある。かかる場合、ソーナー装置の送受波器は、通常は探索方向に向けて水平方向から傾けて装備する手法、或いは振動子アレイのような多数の振動子素子を含む送受波器では、各振動子素子の入力信号(励振信号)に各々遅延をかけるか又は位相ずれを与えるかの励振制御を行なって指向性(ビーム)を傾けるように動作させ、これにより送受波器を物理的に水平に設置しながら等価的に傾けるという手法、が採用されされている(例えば、特許文献1参照)。
A moving body that travels on the surface of the water or underwater needs to always search for underwater obstacles that exist in the direction of travel with the intention of avoiding collisions. Detection device) is equipped.
In this case, in the case of a ship (moving body) that travels on the surface of the water, it is necessary to always search forward and downward of the bow in order to search for obstacles such as reefs. In such a case, the transducer of the sonar device is usually equipped with a method in which the transducer is tilted from the horizontal direction toward the search direction, or in a transducer including a large number of transducer elements such as a transducer array, Each input signal (excitation signal) is controlled to be delayed or phase-shifted, and the directivity (beam) is tilted, so that the transducer is physically installed horizontally. However, a method of tilting equivalently is employed (see, for example, Patent Document 1).
超音波探知装置の送受波器を探索方向に傾けて装備すると、移動体の滑らかな流体構造を損ないやすい。そのため、移動体の移動に大きな障害となるという不都合があり、現実には、探索方向に傾けて突出した状態で送受波器を傾斜装備した例は少ない。 If the transmitter / receiver of the ultrasonic detection device is tilted and installed in the search direction, the smooth fluid structure of the moving body is likely to be damaged. Therefore, there is an inconvenience that it becomes a great obstacle to the movement of the moving body, and in reality, there are few examples in which the transmitter / receiver is tilted and installed in a state of protruding in the search direction.
これに対して、振動子アレイのような多数の振動子素子を含む送受波器では、船底に略水平に設置可能であり、上述のように流体構造を乱すことによる問題は生じにくいというメリットがあり、従来より多用されている。
しかしながら、ビームを傾けるために振動子素子ごとに遅延または位相制御を行なうための励振信号回路、及びこの船体内にある励振信号回路から船底部に装備された各振動子素子へ信号を給電するための多数の接続配線(ケーブル)を張る必要があり、ケーブル接続の複雑化とスペース的な制約も生じ、特に多数の振動子により構成された振動子アレイを個別に駆動するには配線を多数必要とするばかりでなく、その配線作業に多くの労力を要するという不都合が常に存在していた。このため、例えばスペース的に制約がある小型船舶などの移動体への装備には適合しにくいという問題があった。 However, an excitation signal circuit for performing delay or phase control for each transducer element in order to tilt the beam, and for feeding a signal from the excitation signal circuit in the hull to each transducer element mounted on the bottom of the ship A large number of wirings (cables) are required, which complicates the cable connection and restricts space. Especially, a large number of wirings are required to individually drive a transducer array composed of a large number of transducers. In addition, there has always been the inconvenience of requiring a lot of labor for the wiring work. For this reason, there existed a problem that it was difficult to adapt to the installation to moving bodies, such as a small ship with space restrictions, for example.
〔発明の目的〕
本発明は、上記従来例の有する不都合に鑑み、励振信号回路の簡易化及び接続ケーブル削減等による装置の簡易化と経済性および装置規模の小型軽量化を可能とし汎用性ある実用的な超音波探知装置およびソナー装置を提供することを、その目的とする。
(Object of invention)
In view of the disadvantages of the above-described conventional example, the present invention makes it possible to simplify the excitation signal circuit, reduce the number of connection cables, etc., simplify the apparatus, reduce the cost, and reduce the size and weight of the apparatus. It is an object of the present invention to provide a detection device and a sonar device.
上記目的を達成するため、本発明に係る超音波探知装置では、N個の超音波振動子を直線状に配列して1グループとする部分アレイをその延長線上に繰り返しMグループ配列し全体としてN・M個の超音波振動子から成る振動子アレイを送受波器とし、前記部分アレイの各超音波振動子に、順次位相がずらされた励振信号を順次供給する励振信号回路を設け、この励振信号回路が、前記各部分アレイの振動子数Nに等しい種類の前記励振信号を出力すると共に、前記M個の各部分アレイ内での順番(配列位置)が同じ位置の振動子には同一位相の前記励振信号を供給するという構成を採っている(請求項1)。 In order to achieve the above object, in the ultrasonic detection apparatus according to the present invention, a partial array in which N ultrasonic transducers are linearly arranged to form one group is repeatedly arranged on the extension line, and M groups are arranged as a whole. A transducer array composed of M ultrasonic transducers is used as a transducer, and an excitation signal circuit for sequentially supplying excitation signals whose phases are sequentially shifted to each ultrasonic transducer of the partial array is provided. The signal circuit outputs the excitation signal of a type equal to the number N of transducers in each partial array, and the transducers having the same order (arrangement position) in each of the M partial arrays have the same phase. The above-described excitation signal is supplied (claim 1).
このため、これによると、従来と同じ振動子アレイを用いて、従来の励振方法と変わらない指向性を維持しながら、必要な励振信号の数を1/Mに減少させることができ、これによって励振信号回路の構成の小型化および簡易化が可能となり、装置全体の簡易化及び経済性、更には装置全体の小型・軽量化を可能にしている。 Therefore, according to this, the number of necessary excitation signals can be reduced to 1 / M while maintaining the directivity that is the same as the conventional excitation method, using the same transducer array as the conventional one. The configuration of the excitation signal circuit can be reduced in size and simplified, and the overall apparatus can be simplified and economically, and further, the entire apparatus can be reduced in size and weight.
又、前述した励振信号回路は、前記励振信号の位相又は遅延を制御する移相器を、前記部分アレイの各振動子に個別に対応して当該一の部分アレイの振動子数Nと同数備えた構成としてもよい(請求項2)。
これにより、励振信号回路は、同じ数の振動子を備えた従来例に比較して移相器の数をM分の1とすることが可能となり、装置全体の小型・軽量化が有効に実現される。
The excitation signal circuit described above includes the same number of phase shifters for controlling the phase or delay of the excitation signal as the number of transducers N of the one partial array, corresponding to each transducer of the partial array individually. (Claim 2).
As a result, the excitation signal circuit can reduce the number of phase shifters to 1 / M compared with the conventional example having the same number of vibrators, and the entire apparatus can be effectively reduced in size and weight. Is done.
更に、前述した超音波探知装置において、前記励振信号回路に設けられた前記移相器は、位相が2π/N[ラディアン]だけ順次ずれたN種類の励振信号を同時に出力し、対応する前記部分アレイの各振動子に同時に供給することを特徴とする(請求項3)。
これにより、部分アレイの各振動子に加わる励振信号の位相が直線的にずれるので部分アレイとして特定の方向に指向性を持ったビームを作ることができる。尚、部分アレイでは振動子数が少なくなりその開口径も小さくなるが、励振信号の周波数を高く設定することが可能であることから、結果的に短波長域で使用できるので、総合的な指向性のパターンは変わらないように構成することも可能となっている。
Furthermore, in the above-described ultrasonic detection apparatus, the phase shifter provided in the excitation signal circuit simultaneously outputs N types of excitation signals whose phases are sequentially shifted by 2π / N [radians], and the corresponding parts It supplies to each vibrator | oscillator of an array simultaneously (Claim 3).
Thereby, since the phase of the excitation signal applied to each transducer of the partial array is linearly shifted, a beam having directivity in a specific direction can be formed as the partial array. In the partial array, the number of vibrators is reduced and the aperture diameter is also reduced. However, since the frequency of the excitation signal can be set high, as a result, it can be used in a short wavelength region, so that it has a comprehensive orientation. It is also possible to configure so that the sex pattern does not change.
又、前述した超音波探知装置において、前記M個の各部分アレイ内での順番(配置位置)が同じ位置にある前記各振動子を、それぞれ共通配線によって並列接続すると共に、この並列接続されたN個の振動子にかかる各共通配線と前記励振信号回路とをN本のケーブルで各々接続する構成としてもよい(請求項4) Further, in the above-described ultrasonic detection apparatus, the transducers in the same order (arrangement position) in the M partial arrays are connected in parallel by a common wiring, and are connected in parallel. A configuration may be adopted in which each of the common wirings of the N vibrators and the excitation signal circuit are connected by N cables.
このようにすると、励振信号回路から振動子アレイへの接続電線(ケーブル)の本数をN本(従来のM分の1)にまで減少させることが可能になるばかりでなく、励振信号回路と振動子アレイの距離が長い場合にその効果は大きく、結果的に装置全体の簡易化・省スペース化、小型軽量化、経済化に、前記励振信号回路と共に大きな効果を発揮する。 In this way, the number of connecting wires (cables) from the excitation signal circuit to the transducer array can be reduced to N (1 / M of the conventional), and the excitation signal circuit and vibration can be reduced. The effect is great when the distance of the child array is long, and as a result, it has a great effect together with the excitation signal circuit for simplification, space saving, size reduction, weight saving, and economy of the entire apparatus.
更に、前述した超音波探知装置において、前記励振信号回路に予め装備された信号発生器を可変周波数信号発生器とすると共に、前記送受波器に印加する前記励振信号の周波数を可変設定することによって前記送受波器の出力ビームの方向を可変制御する構成としてもよい(請求項5)。
このようにすると、励振信号の周波数を変えるだけでビームの方向(角度)を変化させることができる。周波数を下げる(波長が長くなる)ほどビームがより上向き水平方向(振動子アレイの直線方向)近づくことになる。
Further, in the above-described ultrasonic detection device, the signal generator pre-installed in the excitation signal circuit is a variable frequency signal generator, and the frequency of the excitation signal applied to the transducer is variably set. The direction of the output beam of the transducer may be variably controlled (Claim 5).
In this way, the direction (angle) of the beam can be changed simply by changing the frequency of the excitation signal. The lower the frequency (the longer the wavelength), the closer the beam is to the upward horizontal direction (linear direction of the transducer array).
又、前述した超音波探知装置を水中探知用として船体に装備すると共に、前記振動子アレイを前記船体の底部で且つ当該船体のキールライン(竜骨線)に沿ってほぼ水平に配設し、これにより、前方下方に位置する水中物体を探知するようにビーム方向を設定制御する構成としてもよい(請求項6)。
このようにすると、船舶の移動性や流体構造に大きな影響を与えないで、前方下方の探索に効果を発揮することができ、小型軽量化された構成となっているので、スペース制約の大きな小型船舶にも搭載可能なソナー装置(水中探査装置)を提供可能とした。
In addition, the above-described ultrasonic detection device is mounted on the hull for underwater detection, and the transducer array is disposed substantially horizontally at the bottom of the hull and along the keel line of the hull. Thus, the beam direction may be set and controlled so as to detect an underwater object located in the front lower direction (claim 6).
In this way, it is possible to exert an effect for searching forward and downward without greatly affecting the mobility and fluid structure of the ship, and the structure is reduced in size and weight. A sonar device (underwater exploration device) that can be mounted on ships can be provided.
本発明は以上のように構成され機能するので、これによると、必要な励振信号が減り、それに従って励振信号回路の大幅な小型化が可能となり、また励振信号回路と振動子アレイを電気的に接続するケーブルの数も減らすことが可能になるので、装置の簡易化と経済性、及び装置規模の小型軽量化を可能とし、これによって実用性が大幅に高められた従来にない優れた超音波探知装置およびソナー装置を提供することができる。 Since the present invention is configured and functions as described above, according to this, the required excitation signal is reduced, and accordingly, the excitation signal circuit can be greatly reduced in size, and the excitation signal circuit and the transducer array are electrically connected. Since the number of cables to be connected can be reduced, the device can be simplified and economical, and the device scale can be reduced in size and weight. A detection device and a sonar device can be provided.
まず、本発明の実施形態に係る超音波探知装置の全体的な内容について説明し、その後具体的な内容について説明する。
図1は、本実施形態に係る超音波探知装置を、船舶等の移動体に搭載して使用している状態の説明図である。本装置は、移動体に装備されて電気的な送信信号及び受信信号を発生・処理する送受信部20と、移動体外部の水と接する場所に装備されて電気−機械信号の相互変換の機能を果たす送受波器10と、その両者をつなぐ接続配線(接続電線)30とを備えて構成されている。
First, the entire content of the ultrasonic detection apparatus according to the embodiment of the present invention will be described, and then the specific content will be described.
FIG. 1 is an explanatory diagram of a state in which the ultrasonic detection apparatus according to the present embodiment is mounted on a moving body such as a ship. This device is equipped with a transmitter /
本超音波探知装置の送信機能は、予め送受信部20に設けられた信号発生回路(図示しない)からの発振信号が、励振信号回路(図示しない)で位相の異なった励振信号に変換され、接続配線(接続電線)30を介して送受波器10に給電される。そして、送受波器10では、電気信号である励振信号が機械的な振動に変換され、水中に超音波振動として伝搬される。ここで、送受波器10は多数の超音波振動子を直線状に配列した振動子アレイで構成されており、この各振動子に加える各励振信号の位相(又は遅延)を制御することにより、特定方向に強い超音波を放射する指向性を備えるようにできる。図1では、この指向性を持った超音波ビームが監視方向である移動体の前方下方に、鉛直方向から角度θをもって放射されている状態を示している。
The transmission function of the present ultrasonic detection apparatus is such that an oscillation signal from a signal generation circuit (not shown) provided in advance in the transmission /
尚、超音波探知装置では、送信期間と受信期間を短い時間間隔で切替えることによって送信と受信の両機能を実現している。送信期間では励振信号により強力な超音波が水中に放射され、その送信超音波が対象物体から反射されて送受波器10に戻ってくるときには、受信期間に切り替わっており、励振信号は遮断され、送受波器10を構成する振動子は反射超音波の振動を電気信号に変換し送受信部20に設けられた受信・信号処理回路(図示しない)に供給される。送受波器10の送受波器としての指向性等の特性は、受波器としての特性にそのまま当てはまるので、以下、主として送信機能について説明する。
In the ultrasonic detection apparatus, both the transmission and reception functions are realized by switching the transmission period and the reception period at short time intervals. In the transmission period, a strong ultrasonic wave is radiated into the water by the excitation signal, and when the transmission ultrasonic wave is reflected from the target object and returns to the
次に、図2に基づいて実施形態における超音波探知装置の具体的な構成について説明する。
送受波器10は、N個の超音波振動子S1,S2,……,SN を直線状に配列して成る部分アレイ101 ,102 ,……が、その延長線上に繰り返しM組配列され、全体として(N・M)個の超音波振動子S1,S2,……からなる振動子アレイとして構成される。更に、この送受波器10,即ち振動子アレイに、それぞれ位相のずれた励振信号を供給するための励振信号回路24及び信号発生器22が装備されている。
Next, a specific configuration of the ultrasonic detection apparatus according to the embodiment will be described with reference to FIG.
The
ここで、前記励振信号回路24は、前記一の部分アレイ101 ,102 ,……又は10M が備えているN個の超音波振動子S1,S2,……,SN に同一の周波数で且つ異なった位相を備えた励振信号を印加するためのN個の移相器を備えている。
これにより、各部分アレイ101 ,102 ,……,10M が備えている振動子数Nに等しい数の励振信号を出力し、各部分アレイ内での順番(順序位置)が同じ各部分アレイの各振動子には、同一の励振信号が供給される構成になっている。即ち、各部分アレイ101 ,102 ,……10M の1番目の各振動子S1には、励振信号回路24の移相器26-1から同一の励振信号が供給され、各部分アレイ101 ,102 ,……10M の2番目の各振動子S2には、移相器26-2からの励振信号が供給され,同様にn番目の各振動子Sn
には、励振信号回路24の移相器26-nから同一の励振信号が供給されるという構成になっている。
Here, the excitation signal circuit 24, the first portion array 10 1, 10 2, N numbers of ultrasonic transducers S1, ...... or 10 M is provided, S2, ......, at the same frequency SN N phase shifters are provided for applying excitation signals having different phases.
Thereby, the number of excitation signals equal to the number N of vibrators included in each of the
In the configuration, the same excitation signal is supplied from the phase shifter 26-n of the excitation signal circuit 24.
次に、このような構成を備える振動子アレイの動作とその特性について説明する。
図3は、各部分アレイ101 ,102 ,……,10M の振動子S1,S2,……,SN
から放射される超音波が一定の方向θに強い超音波ビームを形成する条件を説明するための図である。
超音波ビームが形成されるためには、各部分アレイ101 ,102 ,……,10M から放射される超音波の波面が、例えば図中の線分H1 −H2 に示すように揃っている必要がある。そのためには、例えば、同じ励振信号で励振されている部分アレイ101 の振動子S1と隣接する部分アレイ102 の振動子S1とに着目すると、位相が2π(360)だけずれていなければならない。一般的には、これら隣接する部分アレイのそれぞれ対応する2つの振動子の超音波波面の間隔dが、超音波の波長λに等しくなければならない。この関係を数式で表現すると、超音波ビームの放射方向θ、部分アレイ101 ,102 ,……,10M の各配列長をDとして、三角関数の公式から次の関係が成立する。
Next, the operation and characteristics of the transducer array having such a configuration will be described.
3, each
It is a figure for demonstrating the conditions for the ultrasonic wave radiated | emitted from to form a strong ultrasonic beam in the fixed direction (theta).
In order to form an ultrasonic beam, the wavefront of the ultrasonic wave radiated from each
(数1)
λ=d=Dsinθ
又、ビームを形成するためには、部分アレイ101 内の振動子S2,S3,……,SNから放射される超音波の波面も、例えば図中の線分H1 −H2 で揃う必要があるので、これら振動子の励振信号の位相は2π/Nづつずれている必要がある。即ち、励振信号回路24に備わるN個の移相器26-1,26-2,……,26-Nは、位相が2π/N[ラディアン]刻みで順次ずれた励振信号を振動子に供給する構成になっている。
(Equation 1)
λ = d = D sin θ
Further, in order to form a beam vibrator S2, S3 of the
更に、周波数F、水中での音波速度をcとすると、「(c/F)=Dsinθ」とも表現されるから、水中での音波速度c、励振周波数F、部分アレイの配列長Dが決まると、放射ビームの方向θが次式のように決まることになる。
(数2)
θ=sin−1(c/(F・D))
上式数2より、指向性ビームの方向θは、水中での音波速度c及び部分アレイの配列長Dが一定の環境水、装置としては所与のものであるので、励振周波数Fを変えることによって変化させられることが分かる。
Further, if the frequency F and the sound velocity in water are c, it is also expressed as “(c / F) = Dsin θ”, and therefore the sound velocity c, excitation frequency F, and array length D of the partial array are determined. The direction θ of the radiation beam is determined as follows:
(Equation 2)
θ = sin −1 (c / (F · D))
From the above equation (2), the direction θ of the directional beam is an environmental water in which the acoustic velocity c in the water and the arrangement length D of the partial array are constant. It can be seen that it can be changed by.
次に、本実施形態のように、振動子の数が少ない部分アレイによる放射パターンの指向性について説明する。一般に、振動子アレイの放射パターンの指向性の鋭さ(ビーム音圧がピーク値音圧の半分になるときの半値角度)は、波長をλ、いわゆる開口径をLとすると、その比(λ/L)に比例することが知られている。
従って、全体で(N・M)個ある振動子アレイ(開口径L=M・D)を、従来通りのやりかたで、θ方向にビームを向けるために、全振動子にそれぞれ必要な位相ずれを有する信号を給電する場合は、指向性はλ1 /(M・D)に比例する。
Next, the directivity of the radiation pattern by a partial array having a small number of transducers as in this embodiment will be described. In general, the directivity sharpness of the radiation pattern of the transducer array (half-value angle when the beam sound pressure is half of the peak sound pressure) is the ratio (λ / L) is known to be proportional.
Therefore, in order to direct the beam in the θ direction in the same way as before for the entire (N · M) transducer array (aperture diameter L = M · D), all the transducers have the necessary phase shift. In the case of feeding a signal having the directivity, the directivity is proportional to λ 1 / (M · D).
一方、本実施形態に係る部分アレイでは、いわゆる開口径は部分アレイの配列長Dであり、その指向性はλ2 /Dに比例する。従来の振動子アレイの指向性λ1 /(M・D)と比較すると、もし励振周波数を同じとすると、波長も同じ(λ1 =λ2 )であり、確かに指向性ビームの幅はM倍に広がってしまうことになる。しかし、この部分アレイでの波長λ2 は、Dsinθであり、一方、波長λ1 は(M・D)sinθであり、波長λ2 はλ1 に比べてM分の1になっている。すなわち、λ2 =λ1 /Mなので、結局、放射パターンの指向性の鋭さはほとんど変わらないことになる。ただし、周波数はM倍にして運用することになる。 On the other hand, in the partial array according to the present embodiment, the so-called opening diameter is the arrangement length D of the partial array, and the directivity is proportional to λ 2 / D. Compared to the directivity λ 1 / (M · D) of the conventional transducer array, if the excitation frequency is the same, the wavelength is also the same (λ 1 = λ 2 ), and the width of the directional beam is certainly M Will spread twice. However, the wavelength lambda 2 in this portion arrays are dsin, whereas, the wavelength lambda 1 is the (M · D) sinθ, the wavelength lambda 2 is in the first M frequency compared to lambda 1. That is, since λ 2 = λ 1 / M, the directivity sharpness of the radiation pattern is hardly changed after all. However, the frequency is to be operated by M times.
このように、本実施形態で採用する部分アレイでは、振動子数が少なくなり、又いわゆる開口径も小さくなるので、指向性が悪化するように思えるが、実は全体のスケールがM分の1になるのに合わせて、超音波波長も短くする、すなわち励振周波数をM倍にすることによって、総合的な指向性のパターンはほとんど変わらないで運用できる。 Thus, in the partial array employed in this embodiment, the number of vibrators is reduced and the so-called opening diameter is also reduced, so that the directivity seems to deteriorate, but the overall scale is actually 1 / M. Accordingly, by shortening the ultrasonic wavelength, that is, by increasing the excitation frequency by a factor of M, the overall directivity pattern can be operated with almost no change.
尚、図4に示すように、部分アレイ101 ,102 ,……,10M 内での順番(順序位置)が同じ各部分アレイ101 ,102 ,……,10M の各振動子S1,S2,……,SN を、その励振リード線又は励振端子同士を電気的に接続して、これらを一体化した振動子の集合とし、これらN個の振動子グループの集合と励振信号回路24に備わる移相器26とをN本の接続電線で接続する構成としてもよい。上記図4の例では、N=4とした場合を表示している。
即ち、前述した超音波探知装置において、前記M個の各部分アレイ内での順番(配置位置)が同じ位置にある前記各振動子を、それぞれ共通配線によって並列接続すると共に、この並列接続されたN個の振動子にかかる各共通配線と前記励振信号回路とをN本のケーブルで各々接続するように構成されている。
ここで、図4では1本の線で表示しているが、実際には雑音対策を考慮して往復電流を流す対線で構成することが多い。
As shown in FIG. 4,
That is, in the above-described ultrasonic detection apparatus, the transducers in the same order (arrangement position) in the M partial arrays are connected in parallel by a common wiring, and are connected in parallel. The common wirings for the N vibrators and the excitation signal circuit are connected to each other by N cables.
Here, in FIG. 4, it is indicated by a single line, but in reality, it is often configured by a pair of lines through which a reciprocating current flows in consideration of noise countermeasures.
このような構成にすると、励振信号回路24から振動子アレイ10への接続電線(ケーブル)30の本数をN本(従来のM分の1)にまで減少させることが可能になり、励振信号回路24と振動子アレイ10の距離が長い場合に特にその効果は大きく、装置全体の簡易化・省スペース化、小型軽量化、経済化に、前記励振信号回路の簡易化と共に大きな効果を発揮する。
以上のように、本実施形態にあっては、従来と同じ数の振動子アレイを用いて、従来と変わらない指向性を維持しつつ、同時にその構成上、必要な励振信号の数をM分の1に減少させることができ、励振信号回路24が備える移相器26の数もM分の1とすることが可能となり、励振信号回路24を簡易化・小型化できるという優れた効果を奏する。
With this configuration, the number of connection wires (cables) 30 from the excitation signal circuit 24 to the
As described above, in the present embodiment, the same number of transducer arrays as in the past are used, while maintaining the same directivity as in the past, and at the same time, the number of excitation signals necessary for the configuration is M minutes. The number of
更に、上述したように、図4に示す構成によって励振信号回路24から振動子アレイ10への接続配線(電線ケーブル)30の本数をN本(従来のM分の1 )にまで減少させることも可能になり、上述の励振信号回路の簡易化の効果と共に、本超音波探知装置全体の簡易化・経済化、及び小型・軽量化を可能にしている。
Furthermore, as described above, the number of connection wirings (wire cables) 30 from the excitation signal circuit 24 to the
次に、この実施例1について図5及び図6に基づいて説明する。
この図5及び図6に示す実施例は、前述した図1にも開示したように、超音波探知装置を船体に搭載し、底部に装着された送受波器を用いて、前方下方向約45度を監視するソーナー装置として用いたものである。
Next, Example 1 will be described with reference to FIGS.
5 and 6, as disclosed in FIG. 1 described above, the ultrasonic detector is mounted on the hull, and the transmitter / receiver mounted on the bottom is used, and the forward and downward direction is about 45. It is used as a sonar device for monitoring the degree.
具体的には、図5に示すように、送受波器10は複数の部分アレイ101 ,102 ,……から構成され、各部分アレイ101 ,102 ,……は、それぞれ4個の振動子S1,S2,S3,S4から成っている。各部分アレイ101 ,102 ,……,10M の各振動子S1,S2,S3,S4 は、励振信号回路24が備えている各移相器26-1,26-2,26-3,26-4から送り出される異なった位相を備えた4種類の励振信号に順次対応して同時に個別に励振されるように構成されている。
Specifically, as shown in FIG. 5, the
このとき、各励振信号の位相は、2π/4=π/2=90°づつずれており、例えば、振動子S1 には位相遅れ0°の信号、振動子S2 には位相遅れ270°の信号、振動子S3 には位相遅れ180°の信号、振動子S4 には位相遅れ90°の信号を加えている。また、信号発生器22は可変周波数発振器で構成され、その最低周波数F1と最高周波数F2との間で指定された周波数で発振する。
At this time, the phase of each excitation signal is shifted by 2π / 4 = π / 2 = 90 °. For example, a signal with a phase delay of 0 ° is given to the transducer S1, and a signal with a phase delay of 270 ° is given to the transducer S2. A signal with a phase delay of 180 ° is applied to the vibrator S3, and a signal with a phase delay of 90 ° is applied to the vibrator S4. The
ところで、探索方向をθ、使用周波数をF、各部分アレイ101 ,102 ,……10M の配列長をDとすると、この超音波のビーム方向θでは、各部分アレイ各部分アレイ101 ,102 ,……10M からの波面間隔「d=Dsin θ」が、前述したように水中での音波の一波長「λ=(c/ F)(ただし、cは水中での音速)」になるように構成される必要がある。
Meanwhile, the search direction theta, the use frequency F, each partial array 10 1, 10 2, when the sequence length of the ...... 10 M is D, the beam direction theta of the ultrasonic, each portion arrays each
従って、探索方向θ,使用周波数Fが決まれば送受波器の振動子素子の配列長を「D=(c/F)/sinθ」とし、各部分アレイ101 ,102 ,……10M の各振動子S1,S2,S3,S4に、周波数がFで前述の4種の位相の異なった信号を共通に供給することによって、要求された捜索方向θに送波ビームを発生させることができる。 Thus, the search direction theta, the sequence length of the transducer elements of the transducer if Kimare using frequency F is set to "D = (c / F) / sinθ ", each portion array 10 1, 10 2, ...... 10 M of By supplying to each transducer S1, S2, S3, S4 a signal having a frequency of F and having the above-described four different phases, a transmission beam can be generated in the requested search direction θ. .
図5には、使用周波数を二つにした場合の超音波ビームの指向性が変化する状態を示す。すなわち、使用周波数F1,F2とし、そのときのそれぞれの波長をλ1 ,λ2 とし、4つの振動子S1,S2,S3,S4から成る各部分アレイ101 ,102 ,……10M の配列長をDとした場合の、使用周波数F1のときのビーム方向は、sinθ1 =λ1/Dを満たす方向θ1 に、使用周波数F2のときのビーム方向は、sinθ2 =λ2/Dを満たす方向θ2 へ送波ビームが向くことになる。 FIG. 5 shows a state in which the directivity of the ultrasonic beam changes when the frequency used is two. That is, the use frequency F1, F2, and the respective wavelengths of the time .lambda.1, and .lambda.2, 4 single vibrator S1, S2, S3, S4 each partial array 10 1 consisting of, 10 2, sequence length of the ...... 10 M Is a direction θ 1 satisfying sin θ 1 = λ1 / D, and a beam direction at a use frequency F2 is a direction θ satisfying sin θ 2 = λ 2 / D. The transmitted beam is directed to 2 .
図6は、本実施例に係る送受波器10の放射ビームパターンの計算結果を示す。部分アレイの振動子数Nを4とし、使用最高周波数(ここでは200〔kHz〕とした)での波長λmin の半波長(λmin /2)の間隔で振動子が配列されている場合、即ち、D=2λmin のときの、指向性パターンの計算例である。図6(A)には、一例として周波数120〔kHz〕での放射パターンを示す。鉛直方向に対して56度付近に主ビーム(メインローブ)のピークがあり、その他多数のサイドローブが存在することが分かる。
FIG. 6 shows the calculation result of the radiation beam pattern of the
図6(B)は、上記と同じ条件で、最低周波数F1 =110〔kHz〕から、10〔kHz〕刻みに、周波数F2=140〔kHz〕まで変化した場合の4つの指向性パターンの計算例である。周波数が低くなるほどビーム放射方向θは大きくなり図中,上を向くが、ビーム幅が広がって指向性の鋭さは減少している。逆に、周波数が高くなると、ビーム放射方向θは小さくなり図中,下を向き、ビーム幅は狭く指向性は鋭くなっていることが示されている。 FIG. 6B shows an example of calculation of four directivity patterns when the frequency is changed from the lowest frequency F1 = 110 [kHz] to the frequency F2 = 140 [kHz] in increments of 10 [kHz] under the same conditions as described above. It is. As the frequency decreases, the beam radiation direction θ increases and faces upward in the figure, but the beam width increases and the directivity sharpness decreases. On the contrary, when the frequency is increased, the beam radiation direction θ is decreased and turned downward in the figure, and the beam width is narrow and the directivity is sharp.
以上のように、上述した実施形態にあっては、必要な励振信号の数をM分の1に減少させることによって、励振信号回路が備える移相器の数もM分の1になり、励振信号回路24を簡易化・小型化できる。更に、励振信号回路から振動子アレイへの接続ケーブルの本数をN本(従来のM分の1 )にまで減少させる構成も可能であり、これらは共に装置の簡易化と経済化、及び装置規模の小型軽量化を可能にするという効果を奏する。 As described above, in the above-described embodiment, by reducing the number of necessary excitation signals to 1 / M, the number of phase shifters provided in the excitation signal circuit is also reduced to 1 / M. The signal circuit 24 can be simplified and downsized. Furthermore, it is possible to reduce the number of connection cables from the excitation signal circuit to the transducer array to N (1 / M of the conventional one), both of which make the device simpler and more economical, and the device scale. This makes it possible to reduce the size and weight.
又、前述した超音波探知装置を水中探知用として船体に装備すると共に、前記振動子アレイを前記船体の底部で且つ当該船体のキールライン(竜骨線)に沿ってほぼ水平に配設し、これにより、前方下方に位置する水中物体を探知可能なソナー装置として、ビーム方向を設定制御するように構成してもよい。
このようにすると、船舶の移動性や流体構造に大きな影響を与えないで、前方下方の障害物探索に効果を発揮することができ、前述した実施形態および実施例にも開示したように小型軽量化された構成とすることができるので、スペース制約の大きな小型船舶にも搭載可能なソナー装置(水中探査装置)を得ることができる。
In addition, the above-described ultrasonic detection device is mounted on the hull for underwater detection, and the transducer array is disposed substantially horizontally at the bottom of the hull and along the keel line of the hull. Accordingly, the beam direction may be set and controlled as a sonar device capable of detecting an underwater object located in the front lower direction.
In this way, it is possible to exert an effect in searching for obstacles forward and downward without greatly affecting the mobility and fluid structure of the ship, and as described in the above-described embodiments and examples, it is small and lightweight. Therefore, it is possible to obtain a sonar device (underwater exploration device) that can be mounted on a small vessel with a large space constraint.
超音波探知装置を小型船舶等にも搭載可能にして、その実用領域を広げることをも可能にする。また、前述したように送信信号の周波数を変えることにより送波ビームの方向を制御することも可能となり、利便性の向上にも効果を奏する。 The ultrasonic detector can be mounted on a small ship or the like, and the practical area can be expanded. In addition, as described above, the direction of the transmitted beam can be controlled by changing the frequency of the transmission signal, which is effective in improving convenience.
10 送受波器、振動子アレイ
101 ,102 ,……,10M 部分アレイ
20 送受信部
22 信号発生器
24 励振信号回路
26 移相器
30 接続電線(ケーブル)
D 部分アレイの配列長
d 部分アレイ間の波面間隔
F,F1,F2 信号周波数
S1,S2,……,SN 超音波振動子(振動子)
θ,θ1,θ2 垂線に対する超音波ビーム方向角
λ,λ1,λ2 水中での超音波の波長
DESCRIPTION OF
D Partial array length d Wavefront spacing between partial arrays F, F1, F2 Signal frequencies S1, S2, ..., SN Ultrasonic transducer (vibrator)
θ, θ1, θ2 Ultrasonic beam direction angle with respect to perpendicular λ, λ1, λ2 Wavelength of ultrasonic wave in water
Claims (6)
前記部分アレイの各超音波振動子に、順次位相がずらされた励振信号を順次供給する励振信号回路を設け、
この励振信号回路が、前記各部分アレイの振動子数Nに等しい種類の前記励振信号を出力すると共に、前記M個の各部分アレイ内での順番が同じ位置に配設された振動子には同一位相の前記励振信号を供給する構成としたことを特徴とする超音波探知装置。 A partial array in which N ultrasonic transducers are linearly arranged to form one group is repeatedly arranged on the extension line of M groups, and a transducer array consisting of N · M ultrasonic transducers as a whole is transmitted and received. age,
An excitation signal circuit for sequentially supplying excitation signals whose phases are sequentially shifted to each ultrasonic transducer of the partial array is provided,
This excitation signal circuit outputs the type of excitation signal equal to the number N of transducers in each partial array, and the transducers arranged in the same order in the M partial arrays An ultrasonic detection apparatus characterized in that the excitation signals having the same phase are supplied.
前記励振信号回路に設けられた前記移相器は、位相が2π/N[ラディアン]だけ順次ずれたN種類の励振信号を同時に出力し、対応する前記部分アレイの各振動子に同時に供給することを特徴とする超音波探知装置。 In the ultrasonic detection apparatus according to claim 1 or 2,
The phase shifter provided in the excitation signal circuit outputs N types of excitation signals whose phases are sequentially shifted by 2π / N [radians] at the same time, and supplies them simultaneously to the corresponding transducers in the partial array. Ultrasonic detector characterized by.
前記M個の各部分アレイ内での順番が同じ位置にある前記各振動子を、それぞれ共通配線によって並列接続すると共に、
この並列接続されたN個の振動子の集合と前記励振信号回路とをN本のケーブルで各々接続する構成としたことを特徴とする超音波探知装置。 In the ultrasonic detection device according to any one of claims 1 to 3,
The transducers in the same order in the M partial arrays are connected in parallel by a common wiring, respectively.
An ultrasonic detector characterized in that a set of N transducers connected in parallel and the excitation signal circuit are connected by N cables.
前記励振信号回路に予め装備された信号発生器を可変周波数信号発生器とすると共に、前記送受波器に印加する前記励振信号の周波数を可変設定することによって前記送受波器の出力ビームの方向を可変制御する構成としたことを特徴とする超音波探知装置。 In the ultrasonic detection device according to any one of claims 1 to 4,
The signal generator pre-installed in the excitation signal circuit is a variable frequency signal generator, and the direction of the output beam of the transducer is changed by variably setting the frequency of the excitation signal applied to the transducer. An ultrasonic detector characterized in that it is configured to be variably controlled.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2007112643A JP2008268046A (en) | 2007-04-23 | 2007-04-23 | Ultrasonic detector and sonar device |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2007112643A JP2008268046A (en) | 2007-04-23 | 2007-04-23 | Ultrasonic detector and sonar device |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
JP2008268046A true JP2008268046A (en) | 2008-11-06 |
Family
ID=40047740
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
JP2007112643A Pending JP2008268046A (en) | 2007-04-23 | 2007-04-23 | Ultrasonic detector and sonar device |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
JP (1) | JP2008268046A (en) |
Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
CN114552182A (en) * | 2022-02-17 | 2022-05-27 | 华中师范大学 | Antenna structure with adjustable detection frequency and use method |
Citations (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JPS4822218B1 (en) * | 1968-09-19 | 1973-07-04 | ||
JPS4959B1 (en) * | 1968-05-20 | 1974-01-05 |
-
2007
- 2007-04-23 JP JP2007112643A patent/JP2008268046A/en active Pending
Patent Citations (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JPS4959B1 (en) * | 1968-05-20 | 1974-01-05 | ||
JPS4822218B1 (en) * | 1968-09-19 | 1973-07-04 |
Cited By (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
CN114552182A (en) * | 2022-02-17 | 2022-05-27 | 华中师范大学 | Antenna structure with adjustable detection frequency and use method |
CN114552182B (en) * | 2022-02-17 | 2023-10-31 | 华中师范大学 | Antenna structure with adjustable detection frequency and use method |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
US9268020B2 (en) | Sonar assembly for reduced interference | |
US10114119B2 (en) | Sonar systems and methods using interferometry and/or beamforming for 3D imaging | |
US9335412B2 (en) | Sonar transducer assembly | |
US8605550B2 (en) | Downscan imaging sonar | |
US10024957B2 (en) | Adaptive beamformer for sonar imaging | |
AU2004258175B2 (en) | Systems and methods implementing frequency-steered acoustic arrays for 2D and 3D imaging | |
US10247822B2 (en) | Sonar transducer assembly | |
US20230273313A1 (en) | Sonar beam shape controlling horn | |
US20230333230A1 (en) | Sonar system with adjusted beam | |
US11397263B2 (en) | Sonar system with acoustic beam reflector | |
JP2008268046A (en) | Ultrasonic detector and sonar device | |
JP4771575B2 (en) | Underwater detector | |
US20230350061A1 (en) | Sonar beam shape controlling horn | |
RU178896U1 (en) | ACOUSTIC HYDROLOCATION DEVICE | |
JPH02201284A (en) | Transmitting-receiving apparatus for velocity measuring system | |
JP2789329B2 (en) | Ultrasonic transmitter | |
JP2006047187A (en) | Sound wave beam forming apparatus, underwater sonar and method for controlling sound wave beam | |
UA15859U (en) | Unidirectional antenna |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
A621 | Written request for application examination |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A621 Effective date: 20100316 |
|
A977 | Report on retrieval |
Effective date: 20110721 Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A971007 |
|
A131 | Notification of reasons for refusal |
Effective date: 20110726 Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131 |
|
A521 | Written amendment |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523 Effective date: 20110922 |
|
A02 | Decision of refusal |
Effective date: 20111206 Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A02 |
|
A521 | Written amendment |
Effective date: 20120229 Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523 |
|
A911 | Transfer of reconsideration by examiner before appeal (zenchi) |
Effective date: 20120308 Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A911 |
|
A912 | Removal of reconsideration by examiner before appeal (zenchi) |
Effective date: 20120406 Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A912 |