JP2011038899A - 合成開口ソーナー - Google Patents

Abstract

【課題】送受波器の動揺を補正し、合成開口処理への影響を軽減した合成開口ソーナーを提供する。
【解決手段】仮想の単一配列に動揺を加えず基準位置との間の伝搬距離を計算する第１伝搬距離計算器と、複数配列に動揺検出処理部からの動揺量を擬似的に加えて基準位置との間の伝搬距離を計算する第２伝搬距離計算器と、それらの出力の伝搬距離差から動揺量を計算する補正量計算器と、この動揺量に基づいて受信信号に動揺補正を行なう動揺補正器と、ｉ回目の送波とｉ＋１回目の送波に対応する送波器と受波器の中間位置の一部が、一致するように送信タイミングを制御するＰＲＦ制御器と、ｉ回目の送波とｉ＋１回目の送波に対応する受信信号を出力する動揺補正器と、受信信号の目標との間の伝搬距離差から動揺量を検出する自己補正量計算器と、この動揺量に基づき受信信号にさらなる動揺補正を行なう自己動揺補正器とを組み合わせ、動揺補正を行なう。
【選択図】図２

Description

本発明は、航走体に搭載する送波器と移動方向に等間隔に配列した複数台の受波器とからなる合成開口ソーナーに係り、特に航走体の動揺を補正する合成開口ソーナーに関する。

合成開口ソーナーは、合成開口レーダで開発された技術を応用したソーナーである。レーダの分解能を向上させるためには、受波器の開口長を大きくする必要がある。すなわち、合成開口レーダは、航空機または人工衛星等に搭載し、軌道上を移動しながら、送信したレーダ波の反射波を受波器で連続的に受信する。これにより、小さい開口長の受波器の受信信号を合成する。この結果、等価的に開口長を大きくして分解能を向上させている。合成開口ソーナーは、レーダ波の代わりに音響波を用い、水上または水中の航走体に搭載して、同様の原理により、ソーナーの分解能を向上させる。

合成開口処理について、非特許文献１および非特許文献２に示すように高速フーリエ変換と複素乗算を用いたＣＳ（Chirp Scaling）アルゴリズムが知られている。また非特許文献２は、時間軸信号に動揺補正関数を乗算することにより動揺補正を行なう方法を示している。

音響波の水中伝搬速度１,５００ｍ／ｓは、レーダ波の空中伝播速度３００,０００ｋｍ／ｓと比較して非常に遅い。このため、合成開口ソーナーは、送信開始からエコー波が返ってきて次の送信を開始するまでのパルス繰返し周期を長く取る必要がある。また、航走体のサンプル間の移動距離が極端に短く、合成開口長が取れない。さらに、航走体速度が遅すぎるため一定速度に保てない不都合がある。

すなわち、このパルス繰返し周期の逆数がパルス繰返し周波数ＰＲＦで、航走体の速度をｖ、受波器の受波開口幅をＤ、水中の音速をｃ、最大捜索距離をＲｍａｘとして、次の（数１）を満たす必要がある。

この問題は、１回の送信に対して移動方向に等間隔に配列した複数台の受波器で同時に受信するＤＰＣＡ（Displaced Phase-Center Antenna）方式により解決することができる。
合成開口および動揺補正にＤＰＣＡを用いた合成開口方法は、特許文献１、特許文献２および非特許文献２に示されている。

ＤＰＣＡ方式は、１台の送波器と移動方向に等間隔に配列した複数台の受波器からなる複数配列において、送波器から目標までと目標から受波器までの伝搬距離の和が、送波器と受波器の中間に位置する仮想的な送受波器から目標までの往復伝搬距離に近似的に等しいとの原理に基づく。ＤＰＣＡ方式は、この仮想的な送受波器から信号が送受波されるとみなして合成開口処理を行なう方式である。以降、実際の送波器と受波器の配列を複数配列、送波器と受波器の中間に位置する仮想的な送受波器の配列をＤＰＣＡ配列と呼ぶことにより区別する。また、１台の送波器と１台の受波器が一体化した送受波器を単一配列と呼ぶことにする。

単一配列で受信する場合は、移動方向のアジマスサンプリング周波数ｆａｓは、パルス繰り返し周波数ＰＲＦに等しく、航走体速力ｖ、受波開口長Ｄとの間で（数２）の関係がある。

ＤＰＣＡ配列で受信する場合、複数受波器の間隔ｄをアジマスサンプリング間隔に合わせて配列することにより、アジマスサンプリング周波数ｆａｓをパルス繰り返し周波数ＰＲＦよりも高くできる。このとき、受波器数Ｅとの間で（数３）の関係がある。ここで、受波器間隔ｄは、それぞれの受波器の受波開口長Ｄとは定義が異なるが、一般にｄ＝Ｄにとる。

パルス繰り返し周波数ＰＲＦは、送信タイミングであり、（数３）に基づく航走体速度ｖの実測値により時々刻々制御される。これに伴いアジマスサンプリング周波数ｆａｓが制御される。

図１を参照して、従来技術による動揺補正処理を説明する。ここで、図１は従来技術による合成開口ソーナーブロック図である。図１において、合成開口ソーナー６００は、送受信処理部１００、動揺補正処理部２００、合成開口処理部３００、表示制御処理部４００、動揺検出処理部５００で構成される。送受信処理部１００は、受波器１１０、送波器１２０、受信器１３０、送信器１４０、ＰＲＦ制御器１５０で構成される。

送信器１４０は、外部設定に基づき送信信号を生成する。送信器１４０は、ＰＲＦ制御器１５０からの送信タイミング信号に同期して送信信号を、送波器１２０に送り出す。送波器１２０は、送信信号を電気音響変換し、水中に送波する。ＰＲＦ制御器１５０は、航走体速度ｖに基づく速度信号１０を入力としてＰＲＦ値を（数４）より計算し、送信器１４０に送信タイミング信号として出力する。

受波器１１０は、受波エコーを音響電気変換する。受信器１３０は、受波器１１０からの受信信号を、増幅、濾波、アナログ／ディジタル変換の後、ベースバンドに周波数変換する。動揺補正処理部２００は、動揺補正器２１０、補正量計算器２２０で構成される。補正量計算器２２０は、動揺検出処理部５００から受信する動揺量を元に伝搬時間差τに基づく位相補正量Δαを（数５）により計算し、動揺補正器２１０に出力する。ここでλは中心周波数の波長である。

動揺補正器２１０は、補正量計算器２２０からの補正量に基づき受信信号に
ｅｘｐ（Δα）
を複素乗算して、位相回転により動揺補正を行なう。

合成開口処理部３００は、非特許文献１に基づき合成開口処理を行なう。合成開口処理部３００は、レンジ方向とアジマス方向の２次元時間信号を入力し、レンジ方向とアジマス方向の２次元座標信号を表示制御処理部４００に出力する。ここで、アジマス方向は航走体の進行方向、レンジ方向は水平面内で航走体の進行方向に直角な方向である。

表示制御処理部４００は、処理結果の表示のためのフォーマッティング、レベル調整、マンマシンインターフェイスである。
動揺検出処理部５００は、外部動揺センサーの出力である動揺データ２０を入力とし、３軸の回転角である（１）ローリング角、（２）ピッチング角、（３）ヨーイング角と、３軸の変位量である（４）サージング量、（５）スウェイング量、（６）ヒービング量を実時間関数として出力する。外部動揺センサーには、仏国ＩＸＳＥＡ社等から市販されている高精度の慣性誘導装置がある。

上述した背景技術は、以下の問題点がある。
第１の問題は、動揺補正が１台の送波器と１台の受波器からなる単一配列を前提としているため、特許文献１や特許文献２にみられるような、１台の送波器と複数台の受波器からなる複数配列での誤差を補正できないことである。
第２の問題は、受波器の移動距離は航走体の速度以外に伝搬時間により変化するが、この伝搬時間による誤差を補正できないことである。

第３の問題は、外部動揺センサーの動揺量の検出精度に限界があり、周波数が高くなると波長が短くなるため、合成開口に必要な精度が得られないことである。
本発明の目的は、これらの問題を解決し、高精度の動揺補正を行なう合成開口ソーナーを提供することにある。

米国特許第４２４４０３６号明細書 特開２００４−１１７１２９号公報

A. Moreira, J. Mittermayer, and R. Scheiber "Extended chirp Scaling Algorithm for Air- and Spaceborne SAR Data Processing in Stripmap and ScanSAR Imaging Modes", IEEE Trans. Geosci. Remote Sensing, vol. 34. pp. 1123-1136, Sept. 1996. A. Bellettini, and M. A. Pinto, "Theoretical Accuracy of Synthetic Aperture Sonar Micronavigation Using a Displaced Phase- Center Antenna", IEEE J. Oceanic Eng., vol. 27, pp. 780-789, Oct. 2002.

合成開口ソーナーは、航走体に搭載され、航走中に３軸方向の回転および移動による動揺を受ける。動揺は、伝搬距離を微妙に変化させるため位相回転を生じ、合成開口処理に重大な影響を及ぼす。本発明が解決すべき課題は、航走体の動揺を外部動揺センサーで検出した動揺量にて動揺補正を行なうとともに、外部動揺センサーで検出しきれない残留動揺量を、自らの受信信号で検出し、自己動揺補正を行なうことにより、動揺に強い高精度な合成開口ソーナーを実現することである。

動揺補正の第１段階で、１台の送波器と１台の受波器が一体化した仮想の単一配列と基準位置との間の伝搬距離を、当該単一配列に動揺を加えずに計算する第１の伝搬距離計算値と、１台の送波器と移動方向に等間隔に配列した複数台の受波器からなる複数配列と前記基準位置との間の伝搬距離を、当該複数配列に外部動揺センサーが検出した動揺データに基づく動揺量を擬似的に加えて計算する第２の伝搬距離計算値とから、伝搬距離差を求めて動揺補正量を計算し、動揺補正を行なう。すなわち、
動揺補正後の複数配列と任意目標位置との伝搬距離
＝動揺補正前の複数配列と任意目標位置との伝搬距離
＋（動揺を加えない仮想の単一配列と基準位置との第１の伝搬距離
−動揺を加えた複数配列と基準位置との第２の伝搬距離）
として（ ）内の伝搬距離差により動揺量を計算し、動揺補正を行なう。

ここで基準位置を合成開口処理の中心に取ることにより、任意目標位置と基準位置の動揺量の差が小さく無視できるようになるため、動揺補正が効果的に行なわれる。伝搬距離は実際の計測量である伝搬時間から、伝播距離＝伝播時間×音速で計算できる。
以上、動揺補正の第１段階の結果、複数配列の位置が仮想の単一配列の位置に補正される。

次に、動揺補正の第２段階で、ｉ回目の送波に対応するＤＰＣＡ配列の位置の一部と、ｉ＋１回目の送波に対応するＤＰＣＡ配列の位置の一部を、動揺を加えない状態で一致するように送信タイミングを制御し、前記ｉ回目の送波に対応する受信信号と前記ｉ＋１回目の送波に対応する受信信号の目標との間の伝播距離差から動揺量を検出し、動揺補正の第１段階で補正した受信信号にさらなる動揺補正を行なう。

以降、この送波器と受波器の中間位置を一致させたＤＰＣＡ配列を重畳ＤＰＣＡ配列と呼ぶ。
重畳ＤＰＣＡにおいては、前述の送信タイミングを制御するため、受波器数Ｅと重畳ＤＰＣＡ数Ｌとの間で、（数３）を一部変更して、（数６）の関係が必要になる。

これから、パルス繰り返し周波数ＰＲＦは、（数４）を一部変更して、（数７）の関係がある。

動揺が加えられた場合に、重畳ＤＰＣＡ配列の位置が変化し、これにより目標との伝搬距離が変化する。このため、伝搬距離差により動揺量が検出できる。伝搬距離差は、合成開口処理範囲内において近似的に目標位置に関係なく動揺量のみに依存する。このため、目標は具体的な対象物である必要はなく、海底地形を形成する海底の岩、海床により動揺量の検出が可能である。
ｉ＋２回目とｉ＋３回目、および以降の送波についても同様の処理を行なう。

上述した課題は、複数配列とＰＲＦ制御器を含む送受信処理部と、動揺検出処理部と、動揺検出処理部の出力を用いて送受信処理部の出力に動揺補正を行ない、動揺補正後の受信信号を用いてさらなる動揺補正を行なう動揺補正処理部と、合成開口処理部と、表示制御処理部とからなる合成開口ソーナーにより、達成できる。

ここで、動揺補正処理部は、第１伝搬距離計算器と、第２伝搬距離計算器と、補正量計算器と、動揺補正器と、自己補正量計算器と、自己動揺補正器とで構成する。
第１伝搬距離計算器は、仮想の単一配列と基準位置との間の伝搬距離を、単一配列に動揺を加えず計算する。第２伝搬距離計算器は、複数配列と基準位置との間の伝搬距離を、複数配列に動揺検出処理部からの動揺量を擬似的に加えて計算する。補正量計算器は、第１伝搬距離計算器と当該第２伝搬距離計算器の出力から、伝搬距離差により第１の動揺量を計算する。動揺補正器は、第１の動揺量に基づき送受信処理部の出力に動揺補正を行なう。送受信処理部のＰＲＦ制御器は、ｉ回目の送波とｉ＋１回目の送波に対応する重畳ＤＰＣＡ配列の位置が一致するように送波タイミングを制御する。自己補正量計算器は、重畳ＤＰＣＡ受信信号の目標との間の伝搬距離差から第２の動揺量を検出する。自己動揺補正器は、第２の動揺量に基づき動揺補正器出力に動揺補正を行なう。

本発明に依れば、航走体の動揺を外部動揺センサーで検出した動揺量にて動揺補正を行なうとともに、外部動揺センサーで検出しきれない残留動揺量を、自らの受信信号で検出し、自己動揺補正を行なう動揺に強い高精度な合成開口ソーナーを実現することができる。

従来技術による合成開口ソーナーのブロック図である。 合成開口ソーナーのブロック図である。 受波器が奇数の場合の、送波器、受波器、ＤＰＣＡ、重畳ＤＰＣＡ配列の位置を説明するブロック図である。 受波器が偶数の場合の、送波器、受波器、ＤＰＣＡ、重畳ＤＰＣＡ配列の位置を説明するブロック図である。 動揺補正前後のビームパターン出力を説明する図である。 重畳ＤＰＣＡによるヨーイング角の検出を説明する図である。

以下本発明の実施の形態について、実施例を用い図面および数式を参照しながら説明する。なお、実質同一部位には同じ参照番号を振り、説明は繰り返さない。

まず、図２を参照して、本実施例による動揺補正処理を説明する。図２において、合成開口ソーナー７００は、送受信処理部１００Ａ、動揺補正処理部２００Ａ、合成開口処理部３００、表示制御処理部４００、動揺検出処理部５００で構成される。送受信処理部１００Ａは、受波器１１０、送波器１２０、受信器１３０、送信器１４０、ＰＲＦ制御器１５０Ａで構成される。

送信器１４０は、外部設定に基づき送信信号を生成し、ＰＲＦ制御器１５０Ａからの送信タイミング信号に同期して送信信号を出力し、送波器１２０に送り出す。送波器１２０は、送信信号を電気音響変換し、水中に送波する。ＰＲＦ制御器１５０Ａは、航走体速度ｖに基づく速度信号１０を入力としてＰＲＦ値を（数７）から計算し、送信器１４０に送信タイミング信号として出力する。受波器１１０は、受波エコーを音響電気変換する。受信器１３０は、受波器１１０からの受信信号を、増幅、濾波、アナログ／ディジタル変換の後、ベースバンドに周波数変換する。

動揺補正処理部２００Ａは、動揺補正器２１０Ａ、補正量計算器２２０Ａ、第１伝搬距離計算器２３０、第２伝搬距離計算器２４０、自己動揺補正器２５０、自己補正量計算器２６０で構成される。

基準位置データ３０は、合成開口処理の基準位置で、通常は合成開口処理の中心にとる。

第１伝搬距離計算器２３０は、基準位置と仮想の単一配列間の伝搬距離を計算する。第２伝搬距離計算器２４０は、動揺検出処理器５００からの動揺量を擬似的に加えて、基準位置と複数配列間の伝搬距離を計算する。複数配列の送波器と受波器の配列を図３と図４とを参照して、後述する。

補正量計算器２２０Ａは、第１伝搬距離計算器２３０の出力と第２伝搬距離計算器２４０の出力から伝播距離差を検出する。補正量計算器２２０Ａは、これを動揺補正量として位相差Δαに変換し、動揺補正器２１０Ａに出力する。動揺補正器２１０Ａは、受信信号にｅｘｐ（Δα）を複素乗算して、位相回転により動揺補正を行なう。動揺補正器２１０Ａは、ＤＰＣＡ配列の中の重畳ＤＰＣＡ配列を除くＤＰＣＡ配列を形成する受信信号２１１と、重畳ＤＰＣＡ配列を形成する一方の受信信号２１２と、重畳ＤＰＣＡ配列を形成するもう一方の受信信号２１３を出力する。

自己補正量計算器２６０は、受信信号２１２と受信信号２１３を入力として、レンジ方向とアジマス方向の２次元相互スペクトラムをとり、レンジ方向は送信信号の中心周波数、アジマス方向はドップラーゼロ周波数に相当する位置の位相差Δβを検出してこれを動揺補正量として自己動揺補正器２５０に送る。自己動揺補正器２５０は、受信信号２１１にｅｘｐ（Δβ）を複素乗算して、位相回転により自己動揺補正を行なう。

合成開口処理部３００は、合成開口処理を行なう。表示制御処理部４００は、処理結果の表示のためのフォーマッティング、レベル調整、マンマシンインターフェイスである。動揺検出処理部５００は、外部動揺センサーの出力である動揺データ２０を入力とし、３軸の回転角である（１）ローリング角、（２）ピッチング角、（３）ヨーイング角と、３軸の変位量である（４）サージング量、（５）スウェイング量、（６）ヒービング量を実時間関数として出力する。

図３および図４を参照して、送波器と受波器、ＤＰＣＡ配列と重畳ＤＰＣＡ配列の各位置を説明する。なお、図３および図４では送波時から受波時までの伝播時間による受波器の移動は無視している。

図３および図４において、横軸は航走体の航走方向、縦軸はｉ回目の送波とｉ＋１回目の送波に対応するＤＰＣＡ配列の推移を示す。送波器１２０の位置を○、受波器１１０の位置を●、ＤＰＣＡの位置を◎で示す。また、送波器１２０と受波器１１０を囲む箱は、送受波器アレイ１６０である。

図３で、送波器１２０の横軸の座標を０とし、受波器間隔をｄとすると、受波器１２０の位置は、−３ｄ、−２ｄ、−ｄ、０、ｄ、２ｄ、３ｄとなる。ＤＰＣＡの位置は、送波器と受波器の中心であるから、−１.５ｄ、−ｄ、−０.５ｄ、０、０.５ｄ、ｄ、１.５ｄとなる。ＤＰＣＡの中で重畳ＤＰＣＡの位置は、０．５ｄ、ｄ、１．５ｄとなる。合成開口処理としてＤＰＣＡを連続させるためには、送波器１２０の送信タイミングは、送波器が（数７）から、
ｖ／ＰＲＦ＝（Ｅ−Ｌ）ｄ／２
＝（７−３）ｄ／２
＝２ｄ
の距離を移動する毎である必要がある。

図４で、図３と同様に送波器１２０の横軸の座標を０とし、受波器間隔をｄとすると、受波器１２０の位置は、−２.５ｄ、−１.５ｄ、−０.５ｄ、０.５ｄ、１.５ｄ、２.５ｄとなる。また、ＤＰＣＡの位置は、−１.２５ｄ、−０.７５ｄ、−０.２５ｄ、０.２５ｄ、０.７５ｄ、１.２５ｄとなる。ＤＰＣＡの中で重畳ＤＰＣＡの位置は、０．２５ｄ、０．７５ｄ、１．２５ｄとなる。合成開口処理としてＤＰＣＡを連続させるためには、送波器１２０の送信タイミングは、送波器が（数７）から、
ｖ／ＰＲＦ＝（Ｅ−Ｌ）ｄ／２
＝（６−３）ｄ／２
＝１.５ｄ
の距離を移動する毎である必要がある。

航走体の移動方向をｘ軸、移動方向と直角の方向をｙ軸、移動方向と垂直の方向をｚ軸とし、ｙ軸を右手系で定義する。３軸の動揺量は次の６通りあり、（１）ローリング角はｘ軸回りの回転量、（２）ピッチング角はｙ軸回りの回転量、（３）ヨーイング角はｚ軸回りの回転量である。同様に、（４）サージング変位はｘ軸方向の移動量、（５）スウェイング変位はｙ軸方向の移動量、（６）ヒービング変位はｚ軸方向の移動量である。

動揺補正は、これら動揺パラメータの中で合成開口ソーナーの特性に大きな影響を与えるヨーイング角とスウェイング変位について説明する。他の動揺パラメータも同様の原理で補正できるため、ここでの動揺パラメータは次の２つとする。ｔａはアジマス時間でこれらはｔａの関数である。なお、アジマス時間ｔａは、アジマスサンプリング周期ｆａｓの逆数である。

（１）ヨーイング角Φｙａｗ（ｔａ）
（２）スウェイング変位Ｅｓｗａｙ（ｔａ）
以後の説明のため、航走体位置、複数配列の送波器位置とｋ番目の受波器位置、単一配列位置、基準位置を定義する。

まず航走体位置を（数８）とする。

複数配列の送波器の航走体中心からの相対位置を（数９）とする。

複数配列のｋ番目受波器の航走体中心からの相対位置を（数１０）とする。

単一配列の位置を（数１１）とする。

合成開口処理の中心にとる基準位置を、（数１２）とする。

送波時の送波器の位置は航走体位置と送波器相対位置の和であり、航走体中心を動揺中心としてヨーイング角Φｙａｗとスウェイング変位Ｅｓｗａｙの動揺を加えた場合、（数８）と（数９）から（数１３）となる。

受波時のｋ番目の受波器位置は航走体位置と受波器相対位置の和であり、伝搬時間Δｔａの間に航走体が移動している分を考慮して、（数８）と（数１０）から（数１４）となる。

これより、動揺補正の第一段階で、単一配列と基準位置との伝搬距離と、複数配列と基準位置との伝搬距離の差から動揺量を計算する手順について説明する。

基準位置と単一配列の間の伝搬距離は、（数１１）と（数１２）から（数１５）で与えられる。

すなわち、第１伝搬距離計算器２３０は、（数１５）を計算し、補正量計算器２２０Ａに出力する。
ここで、伝播時間Δｔａによる誤差も同時に補正するため、単一配列には伝播時間Δｔａを含めない。

次に基準位置と送波器の間の伝搬距離は、（数１２）と（数１３）から（数１６）で与えられる。

また基準位置とｋ番目の受波器間の伝搬距離は、（数１２）と（数１４）から（数１７）で与えられる。

基準位置とＤＰＣＡ配列の仮想的送受波器位置である送波器と受波器の中間位置の伝搬距離は、（数１６）と（数１７）から（数１８）で与えられる。

伝播時間Δｔａは、送波時から受波時までの航走体の移動時間で、再帰的に（数１９）となる。

または、伝播時間Δｔａは、近似的に（数２０）となる。

第２伝搬距離計算器２４０は、（数１７）を計算して、補正量計算器２２０Ａに出力する。これより、動揺補正時の伝搬距離差は、（数１５）と（数１８）から（数２１）で与えられる。

以上に基づき、動揺補正のための補正量は、ｋ番目の受波器出力について距離の次元である（数２１）に２π／λを乗算し、往復であるので２倍にして（数２２）の位相回転Δαｋ（ｔａ）を施すことにより行なう。λは中心周波数の波長である。すなわち伝搬距離差に基づく位相差は、（数２２）となる。

次に、アジマス時間ｔａは、アジマスサンプリング周波数ｆａｓの逆数であるから、これをアジマスサンプリング周期のｉ倍である離散値（数２３）に置き換える。すなわち、

これより、（数２１）の伝搬距離差は、（数２４）の離散値に置き換わる。

これから、（数２２）の位相差は、（数２５）の離散値に置き換わる。

（数２５）は、航走体の位置を示す番号ｉと受波器の相対位置を示す番号ｋとに依存する。

補正量計算器２２０Ａは、第１伝搬距離計算器２３０と第２伝搬距離計算器２４０の出力からくる伝播距離差に基づく位相補正量Δαｉ，ｋを（数２５）により計算し、動揺補正器２１０Ａに出力する。動揺補正器２１０Ａは、補正量計算器２２０Ａからの補正量に基づき受信信号にｅｘｐ（Δαｉ，ｋ）を複素乗算して、位相回転により動揺補正を行なう。

ＤＰＣＡ配列では、図３および図４に示すとおり、仮想の送受波器間隔が実際の受波器間隔の１／２になり、アジマスサンプリング周波数ｆａｓの逆数であるアジマスサンプリング周期×航走体速度ｖは、（数３）に従って受波器間隔ｄの１／２に一致させる。航走体速度ｖが変動する場合は、アジマスサンプリング周波数ｆａｓを（数５）に従って調整する。

次に、動揺補正の第２段階で、自らの受信信号の伝搬距離差による残留動揺量を検出する手順について説明する。ここまでの補正で、動揺を加えない場合は、複数配列の送波器と受波器の中間の位置は、ＤＰＣＡ配列の位置に一致し、これより、ｉ回目とｉ＋１回目の送波に対応する重畳ＤＰＣＡ配列の位置も一致するから、ｉ回目とｉ＋１回目の送波に対応する重畳ＤＰＣＡ受信信号の伝搬距離差は前述の残留動揺量によるものとみなせる。

以後の説明のため、（数８）（数９）（数１０）について、航走体位置、複数配列の送波器位置、ｋ番目の受波器位置、基準位置の離散値表現を定義する。まず、航走体の位置を（数２６）とする。ここで、Ｈは海底からの航走体の高度である。

複数配列の送波器の航走体中心からの相対位置を（数２７）とする。ここでＹｏは航走体中心から送波面までの距離である。

複数配列のｋ番目受波器の航走体中心からの相対位置を（数２８）とする。ここでＸｏは受波器の位置を送波器の位置と対称に位置するための補正項であり、Ｙｏは送波器と同様に航走体中心から受波面までの距離である。

基準位置は、合成開口処理の中心として、（数２９）とする。ここで、Ｒｏは、基準位置の原点からの水平距離である。

重畳ＤＰＣＡ配列の位置は、動揺補正の第１段階でΔｔａが近似的に０に補正されているから、送波器位置の（数１３）と受波器位置の（数１４）を（数２３）により、離散値に置き換えることにより、（数３０）になる。ここで、ｋはｉ回目の送波の受波器位置である。

これより、重畳ＤＰＣＡ配列の位置（数３０）に（数２７）と（数２８）を代入すると、ｉ回目の送波に対応する重畳ＤＰＣＡ配列の位置は（数３１）になる。ここで、ｋ‘はｉ＋１回目の送波の受波器位置である。

同様に、ｉ＋１回目の送波に対応する重畳ＤＰＣＡ配列の位置は（数３２）となる。

ｉ回目の送波に対応する重畳ＤＰＣＡ配列の位置とｉ＋１回目の送波に対応する重畳ＤＰＣＡ配列の位置の差は、伝播距離差ΔＰｉ，ｄｐｃａに相当し、（数３１）（数３２）から（数３３）で与えられる。ここで前述の残留動揺量は、すでに第１段階の動揺補正でアジマスサンプリング周波数ｆａｓに比較して十分に小さくなっているため、ｉ回目の送波とｉ＋１回目の送波でヨーイング角Φｙａｗの値とスウェイング変位Ｅｓｗａｙの値は変化しないものとみなせる。

動揺を加えないとき、動揺量は０であるから、伝搬距離差の（数３３）が０になる必要があり、これより（数３４）が成り立つ。

この（数３４）を（数３３）に代入して、重畳ＤＰＣＡ配列の位置の差、すなわち伝播距離差ΔＰｉ，ｄｐｃａとヨーイング角Φｉ，ｙａｗの関係は（数３５）になり、ヨーイング角が比較的小さい場合には、伝播距離差ΔＰｉ，ｄｐｃａは目標との距離に関係なくヨーイング角Φｉ，ｙａｗに比例し、スウェイング変位Ｅｉ，ｓｗａｙは無視できる。

一方で、伝播距離差ΔＰｉ，ｄｐｃａは、重畳ＤＰＣＡの出力の位相差βと（数３６）の関係にある。ここで位相差βは、重畳ＤＰＣＡの出力のアジマス方向とレンジ方向の２次元相互スペクトラムをとり、レンジ方向は送信信号の中心周波数、アジマス方向はドップラーゼロ周波数に相当する位置の位相差を検出することにより求める。あるいは、伝播距離差ΔＰｉ，ｄｐｃａは、重畳ＤＰＣＡの出力のレンジ方向とアジマス方向の２次元相互相関をとり、ピーク値の位置から伝搬時間差を検出して伝播距離差に変換して求める。

以上の結果、ヨーイング角φｉ,ｙａｗは、（数３５）と（数３６）により（数３７）で与えられる。

動揺補正の第２段階は、この原理により自らの受信信号で伝播距離差による残留動揺量を検出し、動揺補正を行なうものである。

自己補正量計算器２６０は、動揺補正器２１０Ａの出力２１２と出力２１３から、位相差βを検出して、自己動揺補正器２５０に出力する。自己動揺補正器２５０は、自己補正量計算器２６０からの出力２１１に残留動揺量に基づいてｅｘｐβを複素乗算し、位相回転により動揺補正を行なう。

（数３７）が成り立つためには、位相回転量が±４５度を越えないように、（数３６）の伝搬距離差が（数３８）を満たす必要がある。

これから、ヨーイング角Φｉ，ｙａｗの制約条件は（数３９）で与えられる。

この制約条件は、すでに動揺補正の第１段階で大きな動揺量が補正されているため、実用上は問題にならない。

本実施例は、以上述べてきたとおり、第一段階で仮想の単一配列および複数配列を組み合わせ、複数配列に外部動揺センサーの動揺データに基づく動揺量を模擬的に加えて、仮想の単一配列と基準点の伝播距離と複数配列と基準点との伝搬距離の差を計算し、これを動揺量として受信信号に動揺補正を行ない、さらに第２段階で動揺補正後の自らの受信信号により重畳ＤＰＣＡ配列と目標との伝播距離差を検出し、これを動揺量として受信信号に動揺補正を行なうものである。

図５を参照して、本実施例による動揺補正前後のビームパターンを説明する。図５において、横軸はアジマス距離（ｍ）、縦軸は受信レベル（ｄＢ）である。また、図５（ａ）は航走体に動揺が無い場合、図５（ｂ）は１／８λに相当するヨーイングとスウェイングの動揺を加えた場合、図５（ｃ）は１／８λに相当するヨーイングとスウェイングの動揺を加え、かつ動揺補正を行った結果である。図５（ｂ）と図５（ｃ）との対比から、動揺補正の効果は明らかである。

図６を参照して、実施例による重畳ＤＰＣＡのヨーイング角の検出結果を説明する。図６において、横軸はアジマス周波数（Ｈｚ）、縦軸はヨーイング角（度）である。与えたヨーイング角は０.２度で、合成開口処理範囲に分布した海底の岩を想定した９目標による検出結果を示す。図６から、ヨーイング角は正しく検出されていることは明らかである。

上述した実施例に拠れば、合成開口ソーナーの動揺補正に、動揺補正の第１段階で、動揺を加えない仮想の単一配列と基準位置との間の伝搬距離と、外部動揺センサーで検出した動揺量を模擬的に加えた複数配列と基準位置との間の伝搬距離を計算し、その伝搬距離差から動揺補正量を計算し、受信信号を補正しているため、合成開口ソーナーは動揺のない単一配列の理想的な形に補正され、サイドローブを増やすことなく精度の高い動揺補正ができる。

また動揺補正の第２段階で、第１段階で動揺補正した自らの受信信号について、重畳ＤＰＣＡ配列の伝搬時間差に基づき残留動揺量を検出しているため、外部動揺センサーでは検出しきれない小さな動揺も検出し、精度の高い動揺補正ができる。

１０…速度信号、２０…基準位置データ、３０…動揺データ、１００…送受信処理部、１１０…受波器、１２０…送波器、１３０…受信器、１４０…送信器、１５０…ＰＲＦ制御器、１６０…送受波器アレイ、２００…動揺補正処理部、２１０…動揺補正器、２１１…ＤＰＣＡ受信信号、２１２…重畳ＤＰＣＡ受信信号、２１３…重畳ＤＰＣＡ受信信号、２２０…補正量計算器、２３０…第１伝搬距離計算器、２４０…第２伝搬距離計算器、２５０…自己動揺補正器、２６０…自己補正量計算器、３００…合成開口処理部、４００…表示制御処理部、５００…動揺検出処理部、６００…合成開口ソーナー、７００…合成開口ソーナー。

Claims (5)

1. 複数配列の送受信処理部と、動揺検出処理部と、前記動揺検出処理部の出力を用いて前記送受信処理部の出力に動揺補正を行ない、動揺補正後の自らの受信信号を用いてさらなる動揺補正を行なう動揺補正処理部と、合成開口処理部と、表示制御処理部とからなる合成開口ソーナー。
2. 請求項１に記載の合成開口ソーナーにおいて、
   前記動揺補正処理部は、
   １台の送波器と１台の受波器が一体化した仮想の単一配列と基準位置との間の伝搬距離を、当該単一配列に動揺を加えず計算する第１伝搬距離計算器と、
   １台の送波器と移動方向に等間隔に配列した複数台の受波器からなる複数配列と前記基準位置との間の伝搬距離を、当該複数配列に動揺検出処理部からの動揺量を擬似的に加えて計算する第２伝搬距離計算器と、
   前記第１伝搬距離計算器の出力と前記第２伝搬距離計算器の出力の伝搬距離差から第１の動揺量を計算する補正量計算器と、
   この第１の動揺量に基づいて受信信号に動揺補正を行なう動揺補正器と、
   任意のｉ回目の送波に対応する送波器と受波器の中間位置の一部と、ｉ＋１回目の送波に対応する送波器と受波器の中間位置の一部が、動揺を加えない状態で一致するように送信タイミングを制御するＰＲＦ制御器と、
   前記ｉ回目の送波に対応する受信信号と前記ｉ＋１回目の送波に対応する受信信号の目標との間の伝搬距離差から第２の動揺量を検出する自己補正量計算器と、
   この第２の動揺量に基づいて前記動揺補正器の受信信号の出力に動揺補正を行なう自己動揺補正器とからなることを特徴とする合成開口ソーナー。
3. 請求項２に記載の合成開口ソーナーであって、
   前記第１伝搬距離計算器は、伝搬距離計算において、前記仮想の単一配列と前記基準位置との間の伝搬時間により生じる航走体の移動距離を含めず計算し、
   前記第２伝搬距離計算器は、伝搬距離において、前記複数配列と前記基準位置との間の伝搬時間により生じる航走体の移動距離を含めて計算することを特徴とする合成開口ソーナー。
4. 請求項２に記載の合成開口ソーナーであって、
   前記自己補正量計算器は、前記ｉ回目の送波に対応する受信信号と前記ｉ＋１回目の送波に対応する受信信号について、レンジ方向とアジマス方向の２次元相互スペクトラムをとり、レンジ方向は送信信号の中心周波数、アジマス方向はドップラーゼロ周波数に相当する位置の位相差を検出してこれを伝搬距離差に変換し、前記第２の動揺量とすることを特徴とする合成開口ソーナー。
5. 請求項２に記載の合成開口ソーナーであって、
   前記自己補正量計算器は、前記ｉ回目の送波に対応する受信信号と前記ｉ＋１回目の送波に対応する受信信号について、レンジ方向とアジマス方向の２次元相互相関をとり、ピーク値の位置から伝搬時間差を検出してこれを伝搬距離差に変換し、前記第２の動揺量とすることを特徴とする合成開口ソーナー。

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