JP2009068881A - パルス信号の送受信装置および送受信方法 - Google Patents

Abstract

【課題】パルス圧縮されたエコー信号のレンジサイドローブの振幅を小さくすることのできる、パルス信号の送受信装置および送受信方法を提供する。
【解決手段】信号生成部１１は、ガウス関数で振幅制御されたダイナミックレンジ３０ｄＢ、４０ｄＢのチャープ信号からなる送信信号および参照信号を生成する。参照信号は、フィルタ係数としてマッチドフィルタ７の係数メモリに設定される。また、送信信号と略同じ波形の送信パルスが振動子１から送信され、エコー信号が振動子１で受信される。補正フィルタ６は、Ａ／Ｄ変換器５でデジタル化されたエコー信号に対して、ダイナミックレンジを拡大する補正および波形歪みを除去する補正を施す。マッチドフィルタ８は、補正フィルタ６で補正されたエコー信号と係数メモリに設定された参照信号との相関演算を行うことにより、パルス圧縮されたエコー信号を出力する。
【選択図】 図１

Description

本発明は、送信された送信パルスに対するエコー信号を受信し、受信したエコー信号に対してパルス圧縮処理を施すパルス信号の送受信装置および送受信方法に関する。

送受信装置の１つである魚群探知機は、超音波の送信パルスを振動子から水中に送信し、送信パルスが海底や魚群で反射したエコー信号を振動子で受信する。さらに、受信信号を解析して海底や魚群の画像を表示部の該当する位置に表示する。このため、魚群探知機には、探知距離が長いこと、エコー信号のＳＮ比が良いこと、およびエコー信号の時間分解能が高いことが要求される。しかし、時間分解能を高くするために送信パルス幅を短くすると、探知距離およびＳＮ比が低下する。探知距離およびＳＮ比を上げるために送信パルス幅を長くすると、時間分解能が低下する。そこで、送信パルスとしてチャープ信号（信号周波数を時間的に掃引させたＦＭ信号）を用いるとともに、エコー信号をマッチドフィルタでパルス圧縮することにより、所望の探知距離、ＳＮ比および時間分解能を実現することが提案されている（例えば、特許文献１）。同様な技術は、金属の板や管の超音波探傷でも利用されている（例えば、特許文献２）。また、超音波診断装置に関するものであるが、パルス圧縮処理に理想的なエコー信号が振動子で受信されるように、振動子の周波数特性をキャンセルする補正を予め送信パルスに施すことが提案されている（例えば、特許文献３）。

送信パルスを送信するための振動子の駆動回路は、電力効率が高くて製造コストが安価であることが望ましい。そこで、ＰＤＭ（Pulse Duration Modulation）信号で振動子を駆動することが提案されている（例えば、特許文献４）。図７（ａ）は振動子の駆動回路を示す。（ｂ）は、駆動回路５０の各部の信号および送信パルスを示す。４つのＦＥＴ（ＦＥＴ_１〜ＦＥＴ_４）の各ゲート（図示せず）に図に示すゲート信号が入力されると、振動子１の両端にＰＤＭ信号が印加され、振動子１から正弦波状の送信パルスが送信される。また、各ゲート信号の周期Ｔ_Ａを増減することで送信パルスの周波数を減増でき、ゲート信号のデューティＴ_Ｂ／Ｔ_Ａ（Ｔ_Ｂはゲート信号のパルス幅）を増減することで送信パルスの振幅を増減できる。図８は、上記のようにして形成されたチャープ信号からなる送信パルスを示す。破線は送信パルスの包絡線である。また、送信パルスのダイナミックレンジは、２０・ｌｏｇ（Ｖ_Ｈ／Ｖ_Ｌ）（Ｖ_Ｈは送信パルスの最大振幅値、Ｖ_Ｌは最小振幅値）で表される。

特開２００５−２４９３９８号公報（段落００１０〜００１６、００２６〜００３１） 特許第３５７５２５２号公報（段落００１６〜００５６） 特開２００３−３２５５０６号公報（段落０００１〜００１３） 特開２００４−１７７２７６号公報（段落００４６〜００５６）

しかしながら、上記従来のものにおいては、図９に示すように、パルス圧縮されたエコー信号のメインローブの前後に、レンジサイドローブが時間軸方向に周期的に現れるため、レンジサイドローブによる偽像が表示部に表示される。例えば、海底からのエコー信号のレンジサイドローブによる偽像が海底付近の魚群の画像を覆い隠す結果、その魚群を探知できないという問題がある。

レンジサイドローブを抑制する技術として、ガウス関数などによる振幅変調を施したチャープ信号（図８参照）を送信パルスとして用いるものが知られている。この技術では、送信パルスのダイナミックレンジを大きくするほど、レンジサイドローブの振幅を小さくできる。しかし、実現可能なダイナミックレンジの大きさは、振動子１の駆動回路５０などからなる送信部の能力によって制限されるため、この技術によるレンジサイドローブの抑制にも限界がある。例えば、振動子１をＰＤＭ信号で駆動して、魚群探知機で広く使用されるキャリア周波数が２００ｋＨｚの送信パルスを送信する場合には、ＦＥＴのスイッチング速度によってダイナミックレンジが最大２５〜３０ｄＢ程度に制限される。また、送信部のハードウエアの持つ有限の振幅・時間分解能や振動子１の周波数特性によって、送信パルスに波形歪み（理想的なチャープ信号波形と送信パルス波形との誤差）が生じる。これもレンジサイドローブが大きくなる原因となる。

レンジサイドローブを抑制する他の技術として、チャープ信号からなる送信パルスのＢＴ積（Ｂは送信パルスの周波数掃引幅、Ｔはパルス幅）を大きくするものも知られている。魚群探知機では一般的に、浅海域で送信周期を上げるために送信パルス幅を短くする。このとき、レンジサイドローブを抑制するためには、周波数掃引幅を大きくしてＢＴ積を所定値以上に保つ必要がある。しかし、周波数掃引幅を大きくすることは、振動子１の周波数特性によって制限される。さらに、自船の魚群探知機から送信された送信パルスと他船の魚群探知機から送信された送信パルスとが干渉する原因となり望ましくない。一方、送信パルス幅を長くしてＢＴ積を所定値以上に保つ場合には、振動子１の駆動回路５０の電力負荷が大きくなるという問題や、浅海域でエコー信号検出範囲が狭くなるという問題が生じる。上記２つのレンジサイドローブ抑制技術における問題は、魚群探知機などの水中探知装置だけではなく、超音波探傷装置や超音波診断装置、無線レーダなどでも生じる。

本発明は、上記問題点を解決するものであって、その課題とするところは、パルス圧縮されたエコー信号のレンジサイドローブの振幅を小さくすることのできる、パルス信号の送受信装置および送受信方法を提供することにある。

第１の発明に係るパルス信号の送受信装置は、振幅変調したチャープ信号からなる送信信号と、当該送信信号と周波数が同様に変化するチャープ信号からなる参照信号とを生成する信号生成手段と、送信信号と略同じ波形の送信パルスを送信する送信手段と、送信パルスが探知対象物で反射したエコー信号を受信する受信手段と、受信手段で受信したエコー信号のダイナミックレンジを拡大する補正手段と、補正手段でダイナミックレンジを拡大したエコー信号と参照信号との相関演算を行うことにより、パルス圧縮されたエコー信号を出力するパルス圧縮手段と、を備える。

上述のように、受信手段で受信したエコー信号のダイナミックレンジを拡大し、このダイナミックレンジを拡大したエコー信号と参照信号との相関演算を行うようにしているので、送信パルスのダイナミックレンジを拡大したときと同様に、パルス圧縮されたエコー信号に含まれるレンジサイドローブの振幅を小さくすることができる。これにより、レンジサイドローブによって生じる偽像が消滅し、あるいは弱くなり、例えば、上述の海底付近の魚群を探知できないといった問題を解決することができる。この場合、送信パルスのダイナミックレンジを大きくする必要がないので、送信手段の能力によって送信パルスのダイナミックレンジの拡大が制限されるといった問題も生じない。

第１の発明においては、補正手段が、受信手段で受信したエコー信号から波形歪みを除去する。このようにすることで、参照信号との相関演算の対象となるエコー信号の波形が、参照信号の波形により近似するようになるので、パルス圧縮されたエコー信号に含まれるレンジサイドローブの振幅をさらに小さくすることができる。

また、第１の発明においては、補正手段の入出力特性は、参照信号に相似な信号ｘ（ｔ）のフーリエ変換Ｘ（ｆ）を送信信号に相似な信号ｓ（ｔ）のフーリエ変換Ｓ（ｆ）で除算して得られるシステム関数Ｇ（ｆ）に基づいて決められる。

さらに、第１の発明においては、送信信号と参照信号とは、ダイナミックレンジが同じであるとすると、相似な波形となる振幅変調されたチャープ信号であり、参照信号のダイナミックレンジは送信信号のダイナミックレンジよりも大きい。このようにすることで、相関演算の対象となるエコー信号の波形と参照信号の波形とがより近似するようになるので、パルス圧縮されたエコー信号中のメインローブの振幅に比べて、レンジサイドローブの振幅をより小さくすることができる。

さらに、第１の発明においては、相関演算の対象となるエコー信号のＢＴ積（Ｂは周波数掃引幅、Ｔはパルス幅）のうち、Ｔのみ、あるいはＴおよびＢの双方を拡大するＢＴ積拡大手段をさらに備え、信号生成手段は、送信信号と周波数が同様に変化する参照信号に代えて、上記ＢＴ積の拡大と同じ態様で送信信号のＢＴ積を拡大した信号であるＢＴ積拡大信号と同様に周波数が変化し、しかも略同じパルス幅を有する参照信号を生成する。このようにすることで、送信パルスのＢＴ積を拡大したときと同様に、パルス圧縮されたエコー信号に含まれるレンジサイドローブの振幅をさらに小さくすることができる。この場合、送信パルス幅を大きくする必要がないので、上述の浅海域でエコー信号検出範囲が狭くなるといった問題が生じない。

また、上記のＴのみ、あるいはＴおよびＢの双方を拡大するＢＴ積拡大手段に代えて、相関演算の対象となるエコー信号のＢＴ積（Ｂは周波数掃引幅、Ｔはパルス幅）のうち、Ｂのみを拡大するＢＴ積拡大手段をさらに備え、信号生成手段は、送信信号と周波数が同様に変化する参照信号に代えて、上記ＢＴ積の拡大と同じ態様で送信信号のＢＴ積を拡大した信号であるＢＴ積拡大信号と同様に周波数が変化し、しかも略同じパルス幅を有する参照信号を生成するようにしてもよい。このようにすることで、送信パルスのＢＴ積を拡大したときと同様に、パルス圧縮されたエコー信号に含まれるレンジサイドローブの振幅をさらに小さくすることができる。この場合、送信パルスの周波数掃引幅を大きくする必要がないので、上述の振動子の周波数特性によって周波数掃引幅の拡大が制限されるといった問題が生じない。

第１の発明に係るパルス信号の送受信装置が上記のＢＴ積拡大手段を備える場合において、ＢＴ積拡大信号と参照信号とは、ダイナミックレンジが同じであるとすると、相似な波形となる振幅変調されたチャープ信号であり、参照信号のダイナミックレンジはＢＴ積拡大信号のダイナミックレンジよりも大きい。このようにすることで、相関演算の対象となるエコー信号の波形と参照信号の波形とがより近似するようになるので、パルス圧縮されたエコー信号中のメインローブの振幅に比べて、レンジサイドローブの振幅をより小さくすることができる。

第２の発明に係るパルス信号の送受信方法は、振幅変調したチャープ信号からなる送信信号と、当該送信信号と周波数が同様に変化するチャープ信号からなる参照信号とを生成する工程と、送信信号と略同じ波形の送信パルスを送信する工程と、送信パルスが探知対象物で反射したエコー信号を受信する工程と、受信したエコー信号のダイナミックレンジを拡大する工程と、ダイナミックレンジを拡大したエコー信号と参照信号との相関演算を行うことにより、パルス圧縮されたエコー信号を出力する工程と、を備える。このようにすることで、第１の発明と同様な作用効果が得られる。

本発明によれば、パルス圧縮されたエコー信号に含まれるレンジサイドローブの振幅を小さくすることができる。

図１は、本発明に係るパルス信号の送受信装置の１つである魚群探知機の構成を示すブロック図である。この魚群探知機１００は、超音波の送信パルスを振動子１から海底に向けて送信し、送信パルスが魚群や海底で反射したエコー信号を振動子１で受信する。さらに、受信したエコー信号に対して演算処理を施した結果に基づいて、魚群や海底の画像を表示部９に表示する。以下、魚群探知機１００の構成および動作について説明する。

信号生成部１１は、チャープ信号（信号周波数を時間的に掃引させたＦＭ信号）に所定のダイナミックレンジを有するガウス関数をかけることにより、周波数が同様に変化する、包絡線の滑らかな送信信号と参照信号とをデジタル信号列として生成する。両信号の生成に用いる関数は、ガウス関数に限定されるものではなく、図８に示す送信パルスのような波形の送信信号と参照信号とを生成できるものであればよい。このようにして生成される送信信号と参照信号は、ダイナミックレンジが同じであるとすると、相似な波形となる振幅制御されたチャープ信号である。２つの信号が相似であるとは、一方の信号の振幅を定数倍したものが他方の信号と同一になることを意味する。また、参照信号のダイナミックレンジは送信信号のダイナミックレンジよりも大きくしている。以下では、送信信号のダイナミックレンジが３０ｄＢ、参照信号のダイナミックレンジが４０ｄＢであるものとする。ダイナミックレンジは、図８に示すように、２０・ｌｏｇ（Ｖ_Ｈ／Ｖ_Ｌ）（Ｖ_Ｈはチャープ信号の最大振幅値、Ｖ_Ｌは最小振幅値）で表される。参照信号のデジタル信号列は、後述するマッチドフィルタ７の係数メモリに設定され、受信したエコー信号との相関演算に用いられる。

送信部１０は、送信信号変換部（図示せず）と図７（ａ）に示す駆動回路５０とから構成される。送信信号変換部は、信号生成部１１から出力される送信信号を４つのＦＥＴ（ＦＥＴ_１〜ＦＥＴ_４）のゲート信号に変換する。このとき、振動子１から送信される送信パルスの波形が送信信号の波形と同じになるように、各ゲート信号の周期Ｔ_Ａ（図７（ｂ）参照）とデューティＴ_Ｂ／Ｔ_Ａ（Ｔ_Ｂはゲート信号のパルス幅）とが決められる。この周期Ｔ_ＡとデューティＴ_Ｂ／Ｔ_Ａには誤差が生じるが、この誤差は送信部１０のハードウエアの持つ有限の振幅・時間分解能によって生じる誤差の一つである。送信信号変換部から出力されるゲート信号が駆動回路５０のＦＥＴ_１〜ＦＥＴ_４のゲートに入力されると、ＰＤＭ（Pulse Duration Modulation）信号が送受信切換部２を介して振動子１の両端に印加される。この結果、送信信号と略同じ波形の送信パルスが振動子１から送信される。この送信パルスはダイナミックレンジ３０ｄＢのチャープ信号である。

振動子１から送信された送信パルスは海底や魚群などで反射し、エコー信号が振動子１で受信される。受信されたエコー信号は、ダイナミックレンジ３０ｄＢのチャープ信号であり、送受信切換部２を介して受信アンプ３で増幅される。ＢＰＦ（バンドパスフィルタ）４では、増幅されたエコー信号から所定の周波数帯域以外の周波数成分がノイズとして除去される。さらに、Ａ／Ｄ変換器５では、上記の送信信号および参照信号のデジタル信号列の周期に応じたサンプリング周期でエコー信号がサンプリングされる。

補正フィルタ６は、レンジサイドローブの振幅を小さくするために、Ａ／Ｄ変換器５でデジタル化されたエコー信号のダイナミックレンジを拡大するとともに、エコー信号に含まれる波形歪みを除去する。補正フィルタ６でダイナミックレンジを３０ｄＢから４０ｄＢに拡大すれば、ダイナミックレンジ４０ｄＢの参照信号と相似なエコー信号が補正フィルタ６から出力される。つまり、マッチドフィルタ７でのパルス圧縮処理に理想的なエコー信号が出力される。ここでの相似とは、補正フィルタ６の出力信号の振幅を定数倍したものが参照信号と同一になることを意味する。マッチドフィルタ７は、補正フィルタ６で補正されたエコー信号と、フィルタ係数として係数メモリに設定された参照信号との相関演算を行うことにより、パルス圧縮されたエコー信号を出力する。

なお、上述のように、補正フィルタ６から出力されるエコー信号と参照信号とが相似になるのは、エコー信号が単体魚などの点ターゲットからのものである場合である。それに対し、魚群や海底などからの一般のエコー信号については、補正フィルタ６から出力されるエコー信号と参照信号とが相似にはならないが、魚群や海底などからの一般のエコー信号も複数の点ターゲットからのエコー信号が重ね合わされたものとみなすことができるから、マッチドフィルタ７の出力信号はレンジサイドローブの抑圧されたパルス圧縮信号となる。本実施形態および後述の第２の実施形態では、分かり易くするため、点ターゲットからのエコー信号について説明する。表示処理部８は、パルス圧縮されたエコー信号に基づいて海底や魚群の画像を表示部９に表示する。なお、ダイナミックレンジ４０ｄＢのチャープ信号を参照信号とするのが望ましいが、振幅制御がされていないチャープ信号などを参照信号とすることもできる。ただし、参照信号と送信信号との周波数が同様に変化することが、参照信号としての条件である。

次に、補正フィルタ６について詳細に説明する。補正フィルタ６の入力信号をｓ（ｔ）、出力信号をｘ（ｔ）、インパルス応答をｇ（ｔ）とする。また、エコー信号に含まれる波形歪みが線形時不変であると仮定する。ｘ（ｔ）は、下記の式（１）に示すように、ｓ（ｔ）とｇ（ｔ）とのたたみ込み積分によって算出される。
ｘ（ｔ）＝ｓ（ｔ）＊ｇ（ｔ） （１）
ｘ（ｔ）、ｓ（ｔ）、ｇ（ｔ）のフーリエ変換をそれぞれＸ（ｆ）、Ｓ（ｆ）、Ｇ（ｆ）とすると、補正フィルタ６のシステム関数Ｇ（ｆ）は下記の式（２）で表される。
Ｇ（ｆ）＝Ｘ（ｆ）／Ｓ（ｆ） （２）
ｘ（ｔ）は、参照信号と相似な信号であり、既知である。したがって、ｓ（ｔ）が分かれば、Ｇ（ｆ）が算出可能である。

ここで、ｓ（ｔ）を実験的に求める方法例について説明する。まず、振動子１の送受波面を上向きにして振動子１を水槽（図示せず）の底に置く。次に、振動子１から水面に向けて送信パルスを放射し、水面からのエコー信号を振動子１で受信する。さらに、Ａ／Ｄ変換器５でデジタル化されたエコー信号からｓ（ｔ）を抽出して求める。次に、抽出したｓ（ｔ）のフーリエ変換Ｓ（ｆ）と、既知のｘ（ｔ）のフーリエ変換Ｘ（ｆ）とを式（２）に代入してシステム関数Ｇ（ｆ）を算出する。また、Ｇ（ｆ）を逆フーリエ変換することでインパルス応答ｇ（ｔ）が得られる。そして、ｇ（ｔ）あるいはＧ（ｆ）からデジタルフィルタである補正フィルタ６のフィルタ係数が算出され、算出値が係数メモリに設定されることで、補正フィルタ６の構成（入出力特性）が定まる。

上記のようにして得たｓ（ｔ）は、送信信号に略相似な信号であるが、送信部１０のハードウエアの持つ有限の振幅・時間分解能に起因する波形歪みだけでなく、振動子１の周波数特性や受信アンプ３の入出力特性に起因する波形歪みも含む。したがって、このｓ（ｔ）から算出されたフィルタ係数が設定された補正フィルタ６を用いることで、実際のエコー信号に含まれる上記全ての波形歪みを除去できる。なお、上記の方法に代えて、送信部１０から出力されるＰＤＭ信号の電流信号を、トランスで構成される送受信切換部２を介して受信アンプ３で受信することによりｓ（ｔ）を得ることも可能である。

以上の説明では、エコー信号のダイナミックレンジを拡大する補正およびエコー信号から波形歪みを除去する補正を補正フィルタ６で行うようにしたが、ダイナミックレンジを拡大する補正を行うだけでも、マッチドフィルタ７の出力信号に含まれるレンジサイドローブの振幅を小さくすることができる。この場合、以下のようにしてシステム関数Ｇ（ｆ）を算出する。送信信号と相似なダイナミックレンジ３０ｄＢのチャープ信号をｓ（ｔ）（補正フィルタ６の入力信号）とする。参照信号と相似なダイナミックレンジ４０ｄＢのチャープ信号をｘ（ｔ）（補正フィルタ６の出力信号）とする。これらのｓ（ｔ）、ｘ（ｔ）のフーリエ変換Ｓ（ｆ）、Ｘ（ｆ）を式（２）に代入してシステム関数Ｇ（ｆ）を算出する。

また、魚群探知機１００は補正フィルタ６とマッチドフィルタ７とを具備するが、システム関数がＧ（ｆ）・Ｈ（ｆ）であるフィルタを採用すれば、補正フィルタ６とマッチドフィルタ７とを一体化できる。Ｇ（ｆ）は補正フィルタ６の上述のシステム関数である。Ｈ（ｆ）は、マッチドフィルタ７のシステム関数であり、マッチドフィルタ７の係数メモリに設定される参照信号から算出可能である。

図２は、マッチドフィルタ７に入力される信号のダイナミックレンジの大小が、出力信号に与える影響を示す図であり、シミュレーションによって得られたものである。図２（ａ）は、マッチドフィルタ７に入力されるダイナミックレンジ３０ｄＢの入力信号の包絡線、およびダイナミックレンジ４０ｄＢの入力信号の包絡線を示す。両入力信号は、波形歪みの無いパルス幅１ｍｓのチャープ信号である。このチャープ信号の周波数は、１７５ｋＨｚから２２５ｋＨｚまで連続的に増加する（中心周波数２００ｋＨｚ、周波数掃引幅５０ｋＨｚ）。図２（ｂ）は、マッチドフィルタ７の入力信号のダイナミックレンジが３０ｄＢであるとき、およびダイナミックレンジが４０ｄＢであるときのマッチドフィルタ７の出力信号を示す。図２から、マッチドフィルタ７の入力信号のダイナミックレンジを３０ｄＢから４０ｄＢに拡大すると、レンジサイドローブの振幅が約１０ｄＢ低下することが分かる。

図３は、マッチドフィルタ７に入力される信号の波形歪みの有無が、出力信号に与える影響を示す図であり、シミュレーションによって得られたものである。この図は、マッチドフィルタ７の入力信号に波形歪みが有るとき、および波形歪みが無いときのマッチドフィルタ７の出力信号を示す。マッチドフィルタ７の入力信号が図示されていないが、入力信号は、波形歪みの有無にかかわらず、ダイナミックレンジ４０ｄＢ、パルス幅１ｍｓのチャープ信号である。このチャープ信号の周波数は、１７５ｋＨｚから２２５ｋＨｚまで連続的に増加する。図３から、マッチドフィルタ７の入力信号の波形歪みが除去されると、矢印Ｓ１、Ｓ２が指す箇所でレンジサイドローブの振幅が小さくなることが分かる。

以上述べたことから、エコー信号のダイナミックレンジを拡大する補正を補正フィルタ６で行うことにより、マッチドフィルタ７の出力信号、すなわちパルス圧縮されたエコー信号に含まれるレンジサイドローブの振幅を小さくすることができる。これにより、レンジサイドローブによって生じる偽像が消滅し、あるいは弱くなる。この場合、送信パルスのダイナミックレンジを大きくする必要がないので、送信部１０の能力によって送信パルスのダイナミックレンジの拡大が制限されるといった問題が生じない。さらに、エコー信号から波形歪みを除去する補正を行うことにより、レンジサイドローブの振幅をより小さくすることができる。

次に本発明の第２の実施形態について説明する。本実施形態では、エコー信号のＢＴ積（Ｂはエコー信号の周波数掃引幅、Ｔはパルス幅）を拡大することにより、レンジサイドローブの振幅をさらに小さくする。図４は、第２の実施形態に係る魚群探知機の構成を示すブロック図である。この魚群探知機１１０は、Ａ／Ｄ変換器５と補正フィルタ６との間にＢＴ積拡大部２０を設けている点を除き、図１に示す魚群探知機１００と同じである。ＢＴ積拡大部２０は補正フィルタ６とマッチドフィルタ７との間に配置してもよい。

ＢＴ積拡大部２０は、例えば図５（ａ）に示すように、パルス幅Ｔ_１、周波数掃引幅Δｆの入力信号をパルス幅２Ｔ_１、周波数掃引幅Δｆの信号に変換して出力する。つまり、エコー信号のＢＴ積を２倍にする。この例では、周波数掃引幅を変えずにパルス幅を２倍にしているので、ＢＴ積拡大部２０の出力信号の周波数変化率は、入力信号と比べて半分になる。図５（ａ）ではパルス幅のみを拡大したが、周波数掃引幅のみを拡大してもよいし（図５（ｂ）参照）、あるいはパルス幅および周波数掃引幅の双方を拡大するようにしてもよい（図５（ｃ）参照）。図５（ａ）〜（ｃ）のいずれの場合においても、信号生成部１１は、送信信号と周波数が同様に変化する、先の実施形態に示す参照信号に代えて、上記ＢＴ積の拡大と同じ態様で送信信号のＢＴ積を拡大した信号（以下、この信号をＢＴ積拡大信号という）と同様に周波数が変化し、しかも略同じパルス幅を有する参照信号を生成する。

図６は、マッチドフィルタ７に入力される信号のＢＴ積およびダイナミックレンジの大小が、出力信号に与える影響を示す図であり、シミュレーションによって得られたものである。図６（ａ）は、マッチドフィルタ７に入力されるパルス幅０．５ｍｓ、ダイナミックレンジ３０ｄＢの入力信号の包絡線、およびパルス幅１ｍｓ、ダイナミックレンジ４０ｄＢの入力信号の包絡線を示す。両入力信号は、波形歪みの無いチャープ信号である。このチャープ信号の周波数は、１７５ｋＨｚから２２５ｋＨｚまで連続的に増加する。なお、上記のシミュレーションでは、参照信号として、ダイナミックレンジが同じであるとすると、ＢＴ積拡大信号と相似な波形となる振幅変調されたチャープ信号で、しかもダイナミックレンジ３０ｄＢのＢＴ積拡大信号（あるいは送信信号）よりもダイナミックレンジの大きい信号、ここではダイナミックレンジ４０ｄＢの信号が用いられる。上記のＢＴ積拡大信号は、ＢＴ積の拡大されたエコー信号と波形が相似な信号となる。

図６（ｂ）は、マッチドフィルタ７の入力信号がパルス幅０．５ｍｓ、ダイナミックレンジ３０ｄＢの信号であるとき、および入力信号がパルス幅１ｍｓ、ダイナミックレンジ４０ｄＢの信号であるときのマッチドフィルタ７の出力信号を示す。図６（ｂ）から、マッチドフィルタ７の入力信号のＢＴ積（ここではＢＴ積のうち、パルス幅のみ）およびダイナミックレンジを大きくすると、矢印Ｓ３およびＳ４が指す箇所でレンジサイドローブの振幅が小さくなることが分かる。また、図６（ｂ）に示すパルス幅０．５ｍｓ、ダイナミックレンジ３０ｄＢの入力信号に対するマッチドフィルタ７の出力信号と、図２（ｂ）に示すダイナミックレンジ３０ｄＢの入力信号（パルス幅は１ｍｓ）に対するマッチドフィルタ７の出力信号とを比較すれば、マッチドフィルタ７の入力信号のＢＴ積（ここではＢＴ積のうち、パルス幅のみ）を大きくすると、矢印Ｓ３およびＳ４が指す箇所でレンジサイドローブの振幅が小さくなることが分かる。

以上述べたことから、ＢＴ積拡大部２０でエコー信号のＢＴ積のうち、少なくともパルス幅を拡大する補正（パルス幅のみ、あるいはパルス幅および周波数掃引幅の双方を拡大する補正）を行うことにより、マッチドフィルタ７の出力信号、すなわちパルス圧縮されたエコー信号に含まれるレンジサイドローブの振幅をさらに小さくすることができる。この場合、送信パルス幅を大きくする必要がないので、上述の浅海域でエコー信号検出範囲が狭くなるといった問題が生じない。また、エコー信号のＢＴ積のうち、周波数掃引幅のみを拡大する補正を行うようにしても、パルス圧縮されたエコー信号に含まれるレンジサイドローブの振幅をさらに小さくすることができる。この場合、送信パルスの周波数掃引幅を大きくする必要がないので、上述の振動子１の周波数特性によって周波数掃引幅の拡大が制限されるという問題が生じない。

以上述べた実施形態においては、送信パルスのパルス幅やダイナミックレンジなどの数値を例示したが、適宜これらの数値を変更して本発明を実施することができる。また、上記実施形態では、ＰＤＭ信号で振動子１を駆動して送信パルスを送信するようにしたが、ＰＤＭ信号以外の信号で振動子１を駆動してもよい。さらに、上記実施形態では、魚群探知機１００、１１０で本発明を実施する場合について説明したが、本発明は、超音波探傷装置や超音波診断装置、無線レーダなどのパルス信号の送受信装置にも適用することができる。

本発明に係るパルス信号の送受信装置の１つである魚群探知機の構成を示すブロック図である。 マッチドフィルタに入力される信号のダイナミックレンジの大小が、出力信号に与える影響を示す図である。 マッチドフィルタに入力される信号の波形歪みの有無が、出力信号に与える影響を示す図である。 第２の実施形態に係る魚群探知機の構成を示すブロック図である。 ＢＴ積拡大部の入力信号と出力信号とを示す図である。 マッチドフィルタに入力される信号のＢＴ積およびダイナミックレンジの大小が、出力信号に与える影響を示す図である。 振動子の駆動回路、駆動回路の各部の信号、および送信パルスを示す図である。 チャープ信号からなる送信パルスを示す図である。 パルス圧縮されたエコー信号を示す図である。

符号の説明

１ 振動子
６ 補正フィルタ
７ マッチドフィルタ
１０ 送信部
１１ 信号生成部
２０ ＢＴ積拡大部
５０ 駆動回路
１００ 魚群探知機
１１０ 魚群探知機

Claims (8)

1. 振幅変調したチャープ信号からなる送信信号と、当該送信信号と周波数が同様に変化するチャープ信号からなる参照信号とを生成する信号生成手段と、
   前記送信信号と略同じ波形の送信パルスを送信する送信手段と、
   前記送信パルスが探知対象物で反射したエコー信号を受信する受信手段と、
   前記受信手段で受信したエコー信号のダイナミックレンジを拡大する補正手段と、
   前記補正手段でダイナミックレンジを拡大したエコー信号と前記参照信号との相関演算を行うことにより、パルス圧縮されたエコー信号を出力するパルス圧縮手段と、を備えることを特徴とするパルス信号の送受信装置。
2. 請求項１に記載のパルス信号の送受信装置において、
   前記補正手段が、前記受信手段で受信したエコー信号から波形歪みを除去することを特徴とするパルス信号の送受信装置。
3. 請求項１または請求項２に記載のパルス信号の送受信装置において、
   前記補正手段の入出力特性は、前記参照信号に相似な信号ｘ（ｔ）のフーリエ変換Ｘ（ｆ）を前記送信信号に相似な信号ｓ（ｔ）のフーリエ変換Ｓ（ｆ）で除算して得られるシステム関数Ｇ（ｆ）に基づいて決められることを特徴とするパルス信号の送受信装置。
4. 請求項１から３のいずれかに記載のパルス信号の送受信装置において、
   前記送信信号と前記参照信号とは、ダイナミックレンジが同じであるとすると、相似な波形となる振幅変調されたチャープ信号であり、前記参照信号のダイナミックレンジは前記送信信号のダイナミックレンジよりも大きいことを特徴とするパルス信号の送受信装置。
5. 請求項１または請求項２に記載のパルス信号の送受信装置において、
   前記相関演算の対象となるエコー信号のＢＴ積（Ｂは周波数掃引幅、Ｔはパルス幅）のうち、Ｔのみ、あるいはＴおよびＢの双方を拡大するＢＴ積拡大手段をさらに備え、
   前記信号生成手段は、前記送信信号と周波数が同様に変化する参照信号に代えて、上記ＢＴ積の拡大と同じ態様で前記送信信号のＢＴ積を拡大した信号であるＢＴ積拡大信号と同様に周波数が変化し、しかも略同じパルス幅を有する参照信号を生成することを特徴とするパルス信号の送受信装置。
6. 請求項１または請求項２に記載のパルス信号の送受信装置において、
   前記相関演算の対象となるエコー信号のＢＴ積（Ｂは周波数掃引幅、Ｔはパルス幅）のうち、Ｂのみを拡大するＢＴ積拡大手段をさらに備え、
   前記信号生成手段は、前記送信信号と周波数が同様に変化する参照信号に代えて、上記ＢＴ積の拡大と同じ態様で前記送信信号のＢＴ積を拡大した信号であるＢＴ積拡大信号と同様に周波数が変化し、しかも略同じパルス幅を有する参照信号を生成することを特徴とするパルス信号の送受信装置。
7. 請求項５または請求項６に記載のパルス信号の送受信装置において、
   前記ＢＴ積拡大信号と前記参照信号とは、ダイナミックレンジが同じであるとすると、相似な波形となる振幅変調されたチャープ信号であり、前記参照信号のダイナミックレンジは前記ＢＴ積拡大信号のダイナミックレンジよりも大きいことを特徴とするパルス信号の送受信装置。
8. 振幅変調したチャープ信号からなる送信信号と、当該送信信号と周波数が同様に変化するチャープ信号からなる参照信号とを生成する工程と、
   前記送信信号と略同じ波形の送信パルスを送信する工程と、
   前記送信パルスが探知対象物で反射したエコー信号を受信する工程と、
   前記受信したエコー信号のダイナミックレンジを拡大する工程と、
   前記ダイナミックレンジを拡大したエコー信号と前記参照信号との相関演算を行うことにより、パルス圧縮されたエコー信号を出力する工程と、を備えることを特徴とするパルス信号の送受信方法。

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