JP2010151720A - 送受波器、ラインアレイアンテナ、及びファンビーム生成方法 - Google Patents

Abstract

【課題】指向性の歪みを小さくし、検知範囲を広げることを可能とする。
【解決手段】送波ラインアレイ、及び受波ラインアレイは、各々、送波ラインアレイ１、２と受波ラインアレイ３、４とに２分割される。これら送波ラインアレイ１、２と受波ラインアレイ３、４とは、送受波器の中心部分で頂点を形成するように立体的に十字に配列され、傘型のクロスアレイ（傘型クロスアレイ）を形成し、送受波器の天頂方向に対して、ラインアレイの天頂方向がθ°傾く構造とする。平面クロスアレイを使用した場合に比べて、送受波器の天頂方向とラインアレイの天頂方向とがθ°ずれていることにより、目標の座標位置と実際の座標位置とのずれが小さくなり、広い範囲で高精度の目標検知が可能となる。
【選択図】図１

Description

本発明は、クロスファンビームを使用したソーナ装置の送受波器、ラインアレイアンテナ、及びファンビーム生成方法に関する。

特許文献１において、送受波器は、送波素子列（送波ラインアレイ）と受波素子列（受波ラインアレイ）とを平面上に十字に交差して配置したアレイ（平面配列のクロスアレイ）で構成されている。この送受波器は、海底または水底に、設置または固定され、送信する周波数毎に主軸方向を変えた扇形の送信ビーム（送波ファンビーム）により送波を、ビームの主軸方向を変えた扇形の受信ビーム（受波ファンビーム）を、海面または水面方向に生成する。

これにより、送波、及び受波ファンビームの交差する四角錐状の３次元の範囲を検知範囲とすることができる。また、生成した受波ファンビームで受波した目標からの反射音（エコー）について、音響信号から電気信号に変換後、エコー信号として信号処理を行うことにより、四角錐状の検知範囲上で目標を３次元座標上に表示させている。
特許第４０７５４７２号公報

しかしながら、上述した特許文献１では、平面クロスアレイで構成された送受波器で検知範囲を広げるためには、送受波器の天頂方向に生成するファンビームの主軸方向の角度（ビームステアリング角）を０°とした場合、送受波器の天頂方向からのビームステアリング角を大きく設定する必要があり、この場合に、信号処理結果で得られる目標の座標位置と実際の座標位置とにずれが発生するという問題があった。

その理由は、使用するラインアレイは、超音波発生用振動子を一列に配列した構成となっており、このラインアレイで生成するファンビームに、ビームステアリング角を発生させると、指向性に広がりや、ビームの長手方向の両端がステアリング角方向に湾曲するなどの歪みが発生するためである。

この歪みは、ビームステアリング角に比例して大きくなるため、特に角度が大きくなる検知範囲の端では、送波、及び受波ファンビームの交差する範囲が、計算上の座標位置に対して、送受波器の天頂方向から離れる方向に形成されるためである。

また、上述した特許文献１では、検知範囲の端では、目標の検知もれ及び探知のできない箇所が発生する。その理由は、ビームステアリング角が大きくなる検知範囲の端では、生成するファンビームの歪みにより、送波、及び受波ファンビームの交差する範囲が、計算上の座標位置に対して、送受波器の中心から天頂方向の海面、または水面の天頂方向から離れる方向に形成されるため、計算上の座標位置に対応する実際の検知範囲では、指向性の落ち込みにより目標のエコーが小さくなり、Ｓ／Ｎ比の悪化が発生するためである。

本発明は、このような事情を考慮してなされたものであり、その目的は、指向性の歪みを小さくすることができるとともに、検知範囲を広げることができる送受波器、ラインアレイアンテナ、及びファンビーム生成方法を提供することにある。

上述した課題を解決するために、本発明は、十字に交差させて配置した送波ラインアレイと受波ラインアレイを備え、複数のクロスファンビームを発生させる送受波器であって、当該送受波器の天頂方向と前記送波ラインアレイ及び前記受波ラインアレイとの天頂方向とにθ°分のオフセットを設けたことを特徴とする送受波器である。

また、上述した課題を解決するために、本発明は、十字に交差させて配置した送波ラインアレイと受波ラインアレイを備え、複数のクロスファンビームを発生させる送受波器であって、前記送波ラインアレイと前記受波ラインアレイとを、各々、２分割し、これら２分割した前記送波ラインアレイと前記送波ラインアレイとを、当該送受波器の中心部分で頂点を形成するよう立体的に十字に配列したことを特徴とする送受波器である。

また、上述した課題を解決するために、本発明は、送受波器に十字に交差させて配置した送波ラインアレイと受波ラインアレイとからなるラインアレイアンテナであって、当該送受波器の天頂方向と前記送波ラインアレイ及び前記受波ラインアレイとの天頂方向とにθ°分のオフセットを設けたことを特徴とするラインアレイアンテナである。

また、上述した課題を解決するために、本発明は、送受波器に十字に交差させて配置した送波ラインアレイと受波ラインアレイとからなるラインアレイアンテナであって、前記送波ラインアレイと前記受波ラインアレイとを、各々、２分割し、これら２分割した前記送波ラインアレイと前記送波ラインアレイとを、前記送受波器の中心部分で頂点を形成するよう立体的に十字に配列したことを特徴とするラインアレイアンテナである。

また、上述した課題を解決するために、本発明は、十字に交差させて送受波器に配置した送波ラインアレイと受波ラインアレイからクロスファンビームを生成するファンビーム生成方法であって、前記送受波器の天頂方向と前記送波ラインアレイ及び前記受波ラインアレイとの天頂方向とにθ°分のオフセットを設け、送波ファンビームと受波ファンビームとを、分割した前記送波ラインアレイと前記受波ラインアレイの内、生成する送波ファンビームと受波ファンビームの主軸方向と同じ方向にオフセットを有する前記送波ラインアレイと前記受波ラインアレイとから生成させることを特徴とするファンビーム生成方法である。

また、上述した課題を解決するために、本発明は、十字に交差させて送受波器に配置した送波ラインアレイと受波ラインアレイからクロスファンビームを生成するファンビーム生成方法であって、送波ラインアレイと受波ラインアレイとを、各々、２分割し、これら２分割した前記送波ラインアレイと前記送波ラインアレイとを、前記送受波器の中心部分で頂点を形成するよう立体的に十字に配列し、送波ファンビームと受波ファンビームとを、分割した前記送波ラインアレイと前記受波ラインアレイの内、生成する送波ファンビームと受波ファンビームの主軸方向と同じ方向に角度を付けた方の前記送波ラインアレイと前記受波ラインアレイとから生成させることを特徴とするファンビーム生成方法である。

この発明によれば、指向性の歪みを小さくすることができるとともに、検知範囲を広げることができるという利点が得られる。

以下、本発明の一実施形態を、図面を参照して説明する。

Ａ．実施形態
図１は、本発明の実施形態によるクロスファンビームを使用したソーナ装置用送受波器の構造を示す外観図である。図において、送波ラインアレイ、及び受波ラインアレイを、各々、２分割して、送波ラインアレイ１、２、及び受波ラインアレイ３、４とし、これらを送受波器の中心部分で頂点を形成するように立体的に十字に配列し、傘型のクロスアレイ（傘型クロスアレイ）を形成させる。これにより、送受波器の天頂方向に対して、ラインアレイの天頂方向がθ°傾く構造としている。傘型クロスアレイを使用した送受波器は、海底に設置され、海面方向に送信ファンビームを形成して送信を行い、海面方向に形成した受波ファンビームで目標のエコーの受波を行う。

次に、本実施形態による、図１に示す傘型クロスアレイを使用したソーナ装置用送受波器と、特許文献１による、平面クロスアレイを使用した送受波器とにおいて、クロスファンビームを生成する場合のビームシフト角と指向性の歪みの違いについて説明する。

図２は、特許文献１による、平面クロスアレイを使用した送受波器の構造を示す外観図である。図２において、平面クロスアレイを使用した送受波器では、送波ラインアレイ５、及び受波ラインアレイ６を送受波器の中心部分で交差するように十字に配列している。

また、図３は、平面クロスアレイを使用した送受波器で、天頂方向のφ０°からφｎ°（−φｎ°）方向に向かって複数のファンビームを等間隔で生成した場合の指向性の歪みを表した概念図である。なお、送波、及び受波のファンビームのビームステアリング角と指向性の歪みのパターンとは同じであるため、図３では、送波、及び受波ファンビームの片側について示している。

図２に示す平面クロスアレイを使用した送受波器では、送受波器の天頂方向とラインアレイの天頂方向と同じであるため、検知範囲を広げるために生成するファンビームのビームステアリング角と、送受波器の天頂方向から見たファンビームのビームステアリング角とは同じ角度となる。

このため、図３に示すように、送受波器の天頂方向からφ１°（−φ１°）、φ２°（−φ２°）、…、φｎ°（−φｎ°）方向にファンビームを生成する場合のビームステアリング角は、φ１°（−φ１°）、φ２°（−φ２°）、…、φｎ°（−φｎ°）となる。この場合、ビームシフト角に比例して、指向性の歪みも大きくなるため、送受波器の天頂方向から離れた方位については、計算上のファンビームが送信の両方とも指向性が歪み、送信と受信の交点が、図４に示す計算上の位置に対して、図５に示すようにずれが生じ、この結果、信号処理により求めた目標の座標位置と実際の座標位置にずれが生じるため、精度が低下する。

次に、図６は、本実施形態による、図１に示す傘型クロスアレイを使用した送受波器で、天頂方向のφ０°からφｎ°（−φｎ°）方向に向かって複数のファンビームを等間隔で生成した場合の指向性の歪みを表した概念図である。なお、図６も図３と同様に、送波、及び受波ファンビームの片側についてのみ示している。

図１に示すように、送受波器の天頂方向とラインアレイの天頂方向とは、θ°分オフセットされており、検知範囲を広げるために生成するファンビームのビームステアリング角は、このオフセット分を考慮したステアリング角となる。このため、図６に示すように、送受波器の天頂方向の天頂方向からφ１°（−φ１°）、φ２°（−φ２°）、…、φｎ°（−φｎ°）方向にファンビームを生成する場合のビームステアリング角は、オフセット分を引いた（φ１−θ）°（−（φ１−θ）°）、（φ２−θ）°（−（φ２−θ）°）、…、（φｎ−θ）°（−（φｎ−θ）°）となる。

この場合、図２に示す平面クロスアレイを使用した場合に比べて、送受波器の天頂方向とラインアレイの天頂方向とがθ°ずれていることにより、生成するファンビームのシフト角が、オフセット分だけ小さくてもよい。

このため、本実施形態による傘型クロスアレイを使用した送受波器では、ビームシフト角に比例して発生する指向性の歪みも小さく抑えることが可能となる。この結果、送受波器の天頂方向から離れた方位について、送信、及び受波ファンビームの交点が、図４に示す計算上の位置に対して、図７に示すようになり、図５に示す平面クロスアレイを使用した送受波器の場合と比べて、ずれを小さく抑えることができるため、信号処理により求めた目標の座標位置と実際の座標位置にずれが小さく、広い範囲で高精度の目標検知が可能となる。

上述した実施形態によれば、送受波器の天頂方向をからφｎ°（−φｎ°）方向に複数のファンビームを生成する場合に、そのビームのステアリング角が、平面配列のクロスアレイを使用した場合に比べて小さくすることができ、この結果、指向性の歪みを小さく抑えることなり、信号処理により検出される目標の３次元座標と、実際の目標の座標との誤差が小さくなり、高精度の検知を行うことができる。

Ｂ．変形例
次に、本発明の変形例について説明する。
図８は、本発明の変形例によるクロスファンビームを使用したソーナ装置用送受波器の構造を示す外観図である。図において、本変形例では、送波ラインアレイ、及び受波ラインアレイを、各々、２分割して、送波ラインアレイ１a、２ａ、及び受波ラインアレイ３ａ、４ａとし、それぞれの中心部側の端面を当該送受波器の天頂方向に斜めにカットし、該斜めにカットした端面が送受波器の中心部分で頂点を形成するように、立体的に十字に配列して風車形に配列する。

これにより、上述した実施形態と同様に、送受波器の天頂方向に対して、送受波ラインアレイの天頂方向がθ°傾く構造となるとともに、送受波器における送波ラインアレイ１a、２ａ、及び受波ラインアレイ３ａ、４ａの占有面積を小さくすることができ、送受波器の小型化を図ることが可能となる。

上述した実施形態によれば、以下の効果を得ることができる。
第１の効果は、検知範囲を広げる場合に、平面配列のクロスアレイを使用した場合と比べると、傘型配列のクロスアレイを使用することにより、広範囲に渡り高精度な探知が可能となる。その理由は、送受波器の天頂方向から見て、同じ方位にファンビームを生成する場合、平面配列のクロスアレイでは、送波、及び受波のファンビームのステアリング角を大きく設定する必要が有るが、傘型配列のクロスアレイでは、ラインアレイの取り付けに角度を持っているため、平面配列のクロスアレイに比べてステアリング角を小さくすることができ、指向性の歪みを小さくすることができ、この結果として、特に角度が大きくなる検知範囲の端で、送波及び受波ファンビームの交差する範囲のずれが、計算上の座標位置に対して小さくなるためである。

また、第２の効果は、指向性の歪みを最小に抑えることにより、海中雑音の受波量を抑えることが可能となる。その理由は、指向性が歪んだ場合、受波体積も歪みに合わせて増加するため、歪みを最小限に抑えることにより、受波体積を必要最小限に抑えることにより海中雑音の受波量を抑えることが可能となる。

本発明の実施形態によるクロスファンビームを使用したソーナ装置用送受波器の構造を示す外観図である。 特許文献１による、平面クロスアレイを使用した送受波器の構造を示す外観図である。 平面クロスアレイを使用した送受波器のビームシフト角、及びその指向性の歪みの概念図である。 平面クロスアレイを使用した送受波器の計算上の送波、及び受波のファンビームの交点例を示す概念図である。 平面クロスアレイを使用した場合の送波、及び受波のファンビームの交点例を示す概念図である。 傘型クロスラインアレイを使用した送受波器のビームシフト角、及びその指向性の歪みの概念図である。 傘型クロスアレイを使用した場合の送波及び受波のファンビームの交点例を示す概念図である。 本発明の変形例による、傘型クロスアレイを風車形に配列した場合のソーナ装置用送受波器の構造を示す外観図である。

符号の説明

１、１ａ 送波ラインアレイ
２、２ａ 送波ラインアレイ
３、３ａ 受波ラインアレイ
４、４ａ 受波ラインアレイ

Claims (8)

1. 十字に交差させて配置した送波ラインアレイと受波ラインアレイを備え、複数のクロスファンビームを発生させる送受波器であって、
   当該送受波器の天頂方向と前記送波ラインアレイ及び前記受波ラインアレイとの天頂方向とにθ°分のオフセットを設けたことを特徴とする送受波器。
2. 十字に交差させて配置した送波ラインアレイと受波ラインアレイを備え、複数のクロスファンビームを発生させる送受波器であって、
   前記送波ラインアレイと前記受波ラインアレイとを、各々、２分割し、これら２分割した前記送波ラインアレイと前記送波ラインアレイとを、当該送受波器の中心部分で頂点を形成するよう立体的に十字に配列したことを特徴とする送受波器。
3. 前記２分割した記送波ラインアレイと受波ラインアレイとの中心部側の端面を当該送受波器の天頂方向に斜めにカットしたことを特徴とする請求項２記載の送受波器。
4. 送受波器に十字に交差させて配置した送波ラインアレイと受波ラインアレイとからなるラインアレイアンテナであって、
   当該送受波器の天頂方向と前記送波ラインアレイ及び前記受波ラインアレイとの天頂方向とにθ°分のオフセットを設けたことを特徴とするラインアレイアンテナ。
5. 送受波器に十字に交差させて配置した送波ラインアレイと受波ラインアレイとからなるラインアレイアンテナであって、
   前記送波ラインアレイと前記受波ラインアレイとを、各々、２分割し、これら２分割した前記送波ラインアレイと前記送波ラインアレイとを、前記送受波器の中心部分で頂点を形成するよう立体的に十字に配列したことを特徴とするラインアレイアンテナ。
6. 前記２分割した記送波ラインアレイと受波ラインアレイとの中心部側の端面を当該送受波器の天頂方向に斜めにカットしたことを特徴とする請求項５記載のラインアレイアンテナ。
7. 十字に交差させて送受波器に配置した送波ラインアレイと受波ラインアレイからクロスファンビームを生成するファンビーム生成方法であって、
   前記送受波器の天頂方向と前記送波ラインアレイ及び前記受波ラインアレイとの天頂方向とにθ°分のオフセットを設け、
   送波ファンビームと受波ファンビームとを、分割した前記送波ラインアレイと前記受波ラインアレイの内、生成する送波ファンビームと受波ファンビームの主軸方向と同じ方向にオフセットを有する前記送波ラインアレイと前記受波ラインアレイとから生成させることを特徴とするファンビーム生成方法。
8. 十字に交差させて送受波器に配置した送波ラインアレイと受波ラインアレイからクロスファンビームを生成するファンビーム生成方法であって、
   送波ラインアレイと受波ラインアレイとを、各々、２分割し、これら２分割した前記送波ラインアレイと前記送波ラインアレイとを、前記送受波器の中心部分で頂点を形成するよう立体的に十字に配列し、
   送波ファンビームと受波ファンビームとを、分割した前記送波ラインアレイと前記受波ラインアレイの内、生成する送波ファンビームと受波ファンビームの主軸方向と同じ方向に角度を付けた方の前記送波ラインアレイと前記受波ラインアレイとから生成させることを特徴とするファンビーム生成方法。

Images