JP2011089800A

JP2011089800A - ドップラー速度計

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Publication number: JP2011089800A
Application number: JP2009241638A
Authority: JP
Inventors: Toshi Kawanami; 敏志川浪; Kazuya Okimoto; 和也沖本; Yuji Ishikawa; 裕士石川
Original assignee: Furuno Electric Co Ltd
Current assignee: Furuno Electric Co Ltd
Priority date: 2009-10-20
Filing date: 2009-10-20
Publication date: 2011-05-06
Anticipated expiration: 2029-10-20
Also published as: JP5697863B2

Abstract

【課題】所定ピッチで配列された振動子に所定の位相差を有する広帯域の送信信号を印加することで周波数に依存しないドップラーシフト量を受信する。
【解決手段】ドップラー速度計は、平面上の２π／３毎の方位にピッチｄを有してアレイ状に配列された複数の振動子１００を備えた船体ＳＨに装備される超音波送波器１と、各方位にそれぞれ配列された各列の振動子１００間に位相差を有する広帯域の送信信号をそれぞれ出力する送信駆動信号生成回路３１と、各方位であってピッチｄと超音波の周波数とから定まる俯角方向θに送信された送信信号の受信信号からそれぞれのドップラーシフト量ｆｄを検出するドップラー処理部６と、各ドップラーシフト量及びピッチｄの情報から船体ＳＨの速度を算出するドップラー処理部６とを備えたものである。
【選択図】図１

Description

本発明は、船舶等の移動体から水中に送信された超音波の反射信号に含まれるドップラーシフト量から該移動体の速度を計測するドップラー速度計に関する。

従来、漁撈援助や海洋調査等を目的として船速や潮流速度の計測を行うドップラー速度計が船に装備されている。潮流計は、船底に３個の送受波器が互いに２π／３ずつ異なった方位で、かつ一定の俯角方向に向けて設置されている。そして、各送受波器から超音波が送信され、海中の無数の散乱体で反射されたエコー信号が対応する送受波器で受信され、受信信号に含まれるドップラーシフト量からその深度の潮流に対する船の速度（対水船速）が求められる。また、海底からの反射波（対地エコー）に生じたドップラーシフト量から海底に対する船の速度（対地船速）が求められ、さらに対地船速と対水船速との差から潮流の速度が求められる。

特許文献１には、３方位、かつ一定の俯角方向に向けて船底に設置された送受波器を用いて潮流を計測する計測器が記載されている。特許文献１では、広帯域の送信信号をそれぞれの方向に送信し、かつ受信し、送信信号と受信信号とをフーリエ変換してパワースペクトルを生成し、受信信号側を送信信号に対して１０Ｈｚずつ移相して両信号の積和処理、すなわち相関処理を施してドップラーシフト量を算出するようにしている。

特開２００７−２９２６６８号公報

しかしながら、特許文献１では、同一方向に広帯域の送信信号が送信されるため、受信信号に各周波数に対するドップラー成分が混在し、しかも、一般的な（公知の）ドップラーシフト量算出式からも明らかなように、周波数が高い側ほど、ドップラーシフト量も比例して大きく生じてしまう。さらに、ドップラーシフト量が大きい場合に、この誤差の影響が大きくなる。このように、ドップラーシフト量が広帯域の超音波送信信号の周波数に依存することになる。また、送信パルス幅や受信ゲート幅を広くした場合、受信信号内の各周波数のスペクトル幅が狭くなるため、前述の相関処理の精度が低下する可能性がある。

本発明は、上記に鑑みてなされたもので、所定ピッチで配列された振動子に所定の位相差を有する送信信号を印加することで広帯域の送信信号の周波数に依存しないドップラーシフト量を受信するドップラー速度計を提供することを目的とするものである。

請求項１記載の発明は、移動体から水中に送信された超音波の反射信号に含まれるドップラーシフト量から該移動体の速度を計測するドップラー速度計において、平面上の所定の複数方位に所定のピッチを有してそれぞれアレイ状に配列され、超音波を送信する複数の振動子を備えた、前記移動体に装備される超音波送波器と、前記所定の複数の方位にそれぞれ配列された各列の振動子間に所定の位相差を有する広帯域の送信信号をそれぞれ出力する送信手段と、前記所定の複数の方位であって前記所定のピッチと超音波の周波数とから定まる俯角方向に送信された送信信号の受信信号からそれぞれのドップラーシフト量を検出するドップラーシフト量検出手段と、前記各ドップラーシフト量及び前記所定ピッチの情報から前記移動体の速度を算出する速度算出手段とを備えたことを特徴とするものである。

この発明によれば、超音波送受波器は、平面上の所定の複数方位に所定のピッチを有してそれぞれアレイ状に配列された複数の振動子を備える。振動子は超音波を送信する。超音波送受波器は、船体等の移動体に装備されるものである。送信手段によって、前記所定の複数の方位にそれぞれ配列された各列の振動子間に所定の位相差を有する広帯域の送信信号がそれぞれ出力される。平面上に所定ピッチで配列された複数の振動子から広帯域の超音波送信信号を所定の位相差で送信すると、水中からの反射波に含まれるドップラーシフト量は送信周波数に依存しない。そして、ドップラーシフト量検出手段によって、前記所定の複数の方位であって前記所定のピッチと超音波の周波数とから定まる俯角方向に送信された送信信号の受信信号からそれぞれのドップラーシフト量が検出される。さらに、速度算出手段によって、前記各ドップラーシフト量及び前記所定ピッチの情報から前記移動体の速度が算出される。従って、所定ピッチで配列された振動子に所定の位相差を有する送信信号を印加することで広帯域の送信信号の周波数に依存しないドップラーシフト量を検出することができ、その結果、船体の速度を精度良く計測することが可能となる。

請求項２記載の発明は、請求項１に記載のドップラー速度計において、前記超音波送受波器は、正三角形格子形状の各交点であって２π／３毎の第１〜第３の方位を前記所定の複数の方位とし、各方位に所定ピッチを有してアレイ状に配列された複数の振動子を備えたものであり、前記送信手段は、前記第１〜第３の方位にそれぞれ配列された各列の振動子間に所定の位相差を有する広帯域の送信信号を出力し、前記ドップラーシフト量検出手段は、前記第１〜第３の方位に対応する各ドップラーシフト量を検出し、前記速度算出手段は、前記第１〜第３の方位に対応する各ドップラーシフト量及び前記所定ピッチの情報から前記移動体の速度を算出することを特徴とする。この構成によれば、水平面上の２π／３毎の３方向からのドップラーシフト量を検出することで、船体の速度を精度良く計測することが可能となる。

請求項３記載の発明は、請求項１又は２に記載のドップラー速度計において、前記速度算出手段は、前記各ドップラーシフト量及び前記所定ピッチの情報から前記移動体の速度を算出する演算式を予め記憶する記憶部を有し、前記演算式を用いて前記速度を算出するものであることを特徴とする。この構成によれば、検出された各ドップラーシフト量が演算式に代入され、演算が実行されて船体速度が求まる。

請求項４記載の発明は、請求項１〜３のいずれかに記載のドップラー速度計において、前記速度算出手段は、前記移動体の速度であって、水平面上の速度を算出するものであることを特徴とする。この構成によれば、周波数依存性のない状態で、すなわち深度方向を除く船体速度を求めることが可能となる。

本発明によれば、所定ピッチで配列された振動子に所定の位相差を有する送信信号を印加することで広帯域の送信信号の周波数に依存しないドップラーシフト量を検出することができ、その結果、船体の速度を精度良く計測することができる。

本発明に係るドップラー速度計の概略構成を示すブロック図である。（ａ）は、送波面を示す平面図で、（ｂ）は、（ａ）におけるA−A線断面図である。図２（ａ）に示す各振動子の位置関係を示す図で、（ａ）は平面図、（ｂ）は部分拡大平面図である。図２（ａ）に示す各振動子の配線を説明する配線図である。超音波送受波器１の第１〜第３グループ振動子の構成パターンを示す構成図である。（ａ）は、超音波送受波器１の第１〜第３グループ振動子への遅延制御（位相制御に相当）を示すブロック図であり、（ｂ）は、（ａ）に示す遅延制御を行った場合の水平方向に射影した送信ビームの進行方向を示す図である。超音波送受波器から送信される超音波の位相制御を説明するための側面から見た概略図である。船体を基準にしたｘｙｚ直交座標系とビーム方向単位ベクトル（Ｂｅａｍ１，２，３の斜交座標系）との関係を示す図で、（ａ）は全体斜視図、（ｂ）は平面図である。広帯域の周波数の超音波と送信方向との関係を説明する説明図である。送信信号の波形の一例を示す図である。送信波形のパワースペクトルの包絡線形状の一例を示す図である。受信波形のパワースペクトルの包絡線形状の一例を示す図である。演算結果である相互相関出力を示す図である。（ａ）は、位相制御を示すブロック図であり、（ｂ）は、（ａ）に示す位相制御を行った場合の水平方向に射影した送信ビームの進行方向を示す図である。

図１は、本発明に係るドップラー速度計の概略構成を示すブロック図である。ドップラー速度計は、超音波信号の送受信を行う超音波送受波器１と、超音波送受波器１の送受信動作を切り替える送受波切替器２と、超音波送受波器１を構成する複数の振動子に入力する送信駆動信号を生成する送信駆動信号生成回路３１と、送信駆動信号を増幅する送信アンプ３２とを備える。また、ドップラー速度計は、受信アンプ４と、超音波送受波器１の各振動子に対して受波ビームを形成する受波ビーム形成回路５と、受信信号に含まれるドップラーシフト量の算出、及びそれに基づいて測定対象、例えば船舶の速度を算出するドップラー処理部６と、算出結果を表示するＬＥＤやプラズマディスプレイ等からなる表示部７とを備えると共に、各部に対して必要な指示信号や駆動信号等の制御信号を出力する制御部８とを備えている。

超音波送受波器１は、例えば水平面に平行な面を送波面とする複数の超音波振動子が所定チャンネル数、例えば９チャンネルに割り当てられてアレイ状に配列されている。超音波送受波器１は、例えば船底に装備され、送波面は水中に向けて露出されている。

ここで、超音波送受波器１の詳細構造について、図２、図３、図４を用いて説明する。図２（ａ）は、送波面を示す平面図で、図２（ｂ）は、図２（ａ）におけるA−A線断面図である。図３は、図２（ａ）に示す各振動子の位置関係を示す図で、図３（ａ）は平面図、図３（ｂ）は部分拡大平面図である。図４は、図２（ａ）に示す各振動子の配線を説明する配線図である。なお、図３（ａ）、図４ではチャンネル番号を省略しているが、振動子の配置は、図２に示す配置と同一である。

超音波送受波器１は、船首−船尾方向に直交する辺を一辺とした正三角形の各頂点に振動子１００が配置された正三角形格子構造を有する。振動子１００の船首−船尾方向における配列ピッチ（振動子列間の間隔）をｄとすると、正三角形の一辺の長さ、すなわち振動子１００の中心間距離は（２／３^1/2）ｄである。なお、ピッチｄは、送信信号に含まれる所定周波数成分の波長λと、水平面と探知方向とのなす角である俯角θとにより予め設定されている。詳細は後述する。

超音波送受波器１は、図２（ｂ）に示すように、強誘電体等からなる圧電効果を有する基板１０１と、この基板１０１の両面の対向する位置に形成された電極１０２とで形成される。すなわち、各振動子１００は、圧電基板１０１の両面の対向する位置に電極１０２を形成することで形成される。圧電基板１０１は、両面の電極１０２間に所定電圧が印加されると基板特有の周波数で振動する。すなわち、圧電基板１０１の電極１０２で挟まれた部分が圧電振動子として機能する。

振動子１００は、本実施形態では、９チャンネルに分けられており、各チャンネルの振動子１００ａ〜１００ｃ、１１０ｅ〜１００ｇ、１００ｈ〜１００ｊは、図２、図３に示す位置関係を有して配置されている。なお、図２（ａ）、図３（ｂ）では各チャンネルの代表する振動子にのみ記号を付し、他の振動子については、属するチャンネル番号のみを示した。

図３（ｂ）に示すように、第１、第２、第３チャンネル振動子１００ａ〜１００ｃの中心をそれぞれ頂点として一辺の長さが（２／３^1/2）ｄの正三角形が形成されており、第２、第３チャンネル振動子１００ｂ，１００ｃを結ぶ辺が船首−船尾方向に対して直角で、この辺に対して船首側に第１チャンネル振動子１００ａが配置されている。第４チャンネル振動子１００ｅは、第３チャンネル振動子１００ｃを挟んで第２チャンネル振動子１００ｂの反対の位置に配置されており、第５チャンネル振動子１００ｆは、第３チャンネル振動子１００ｃを挟んで第１チャンネル振動子１００ａの反対の位置に配置されている。第６チャンネル振動子１００ｇは、第４チャンネル振動子１００ｅと第５チャンネル振動子１００ｆとともに一辺の長さが（２／３^1/2）ｄの正三角形を構成する位置に配置されており、言い換えれば、第６チャンネル振動子１００ｇは、第４、第５チャンネル振動子１００ｅ，１００ｆを結ぶ線を線対称の基準として第３チャンネル振動子１００ｃと対称の位置に配置されている。第７チャンネル振動子１００ｈは、第６チャンネル振動子１００ｇを挟んで第５チャンネル振動子１００ｆの反対の位置に配置されており、第８チャンネル振動子１００ｉは、第６チャンネル振動子１００ｇを挟んで第４チャンネル振動子１００ｅの反対の位置に配置されている。第９チャンネル振動子１００ｊは、第７チャンネル振動子１００ｈと第８チャンネル振動子１００ｉと共に、一辺の長さが（２／３^1/2）ｄの正三角形を構成する位置に配置されており、言い換えれば、第９チャンネル振動子１００ｊは、第７、第８チャンネル振動子１００ｈ，１００ｉを結ぶ線を線対称の基準として第６チャンネル振動子１００ｇと対称の位置に配置されている。また、第９チャンネル振動子１００ｊは、第８チャンネル振動子１００ｉの反対の位置にある第１チャンネル振動子１００ａとで一辺の長さが（２／３^1/2）ｄの正三角形を形成する位置に第２チャンネル振動子１００ｂが配置されると共に、第２チャンネル振動子１００ｂとで一辺の長さが（２／３^1/2）ｄの正三角形を形成する位置に第４チャンネル振動子１００ｅが配置されている。そして、超音波送受波器１は、かかる９つのチャンネルの振動子の配列パターンが縦横に所定数だけ繰り返して形成されている。

このように形成された振動子１００ａ〜１００ｃ，１００ｅ〜１００ｇ，１００ｈ〜１００ｊは、図４に示す配線パターンで配線されている。船首−船尾方向に直角な方向に並ぶ第１チャンネル振動子１００ａは、それぞれ配線パターンＬ１２，Ｌ１３，Ｌ１４，Ｌ１５で並列接続されており、各配線パターンＬ１２〜Ｌ１５は、ポートＰ１に接続されている。同様に、第２チャンネル振動子１００ｂは、それぞれ配線パターンＬ２１，Ｌ２２，Ｌ２３，Ｌ２４，Ｌ２５でポートＰ２に並列接続され、第３チャンネル振動子１００ｃは、それぞれ配線パターンＬ３１，Ｌ３２，Ｌ３３，Ｌ３４，Ｌ３５でポートＰ３に並列接続されている。また、第４チャンネル振動子１００ｅは、それぞれ配線パターンＬ４１，Ｌ４２，Ｌ４３，Ｌ４４，Ｌ４５でポートＰ４に並列接続され、第５チャンネル振動子１００ｆは、それぞれ配線パターンＬ５１，Ｌ５２，Ｌ５３，Ｌ５４，Ｌ５５でポートＰ５に並列接続され、第６チャンネル振動子１００ｇは、それぞれ配線パターンＬ６１，Ｌ６２，Ｌ６３，Ｌ６４，Ｌ６５でポートＰ６に並列接続されている。さらに、第７チャンネル振動子１００ｈは、それぞれ配線パターンＬ７１，Ｌ７２，Ｌ７３，Ｌ７４，Ｌ７５でポートＰ７に並列接続され、第８チャンネル振動子１００ｉは、それぞれ配線パターンＬ８１，Ｌ８２，Ｌ８３，Ｌ８４でポートＰ８に並列接続され、第９チャンネル振動子１００ｊは、それぞれ配線パターンＬ９１，Ｌ９２，Ｌ９３，Ｌ９４でポートＰ９に並列接続されている。ポートＰ１〜Ｐ９は、送受波切替器２とのバスラインの各ラインにそれぞれ接続されている。なお、各振動子１００ａ〜１００ｃ，１００ｅ〜１００ｇ，１００ｈ〜１００ｊの他方の端子は、例えば、それぞれチャンネル毎に、あるいはコモンで接地されている。この結果、全ての振動子が第１チャンネル〜第９チャネルに分けて接続される。なお、前述の配線パターンとしては、圧電基板１０１の対向する両面に電極１０２を形成する構造の場合には圧電基板１０１の一方面に配線パターン電極を形成することにより実現され、単体の振動素子を用いる場合には絶縁基板表面に形成した配線パターン電極や導体線による振動素子の端子を接続することにより実現される。

超音波送受波器１は、本実施形態においては、９つのチャンネルの振動子１００が３つのグループに分けられている。具体的には、第１チャンネル振動子１００ａ〜第３チャンネル振動子１００ｃが第１グループとされ、第４チャンネル振動子１００ｅ〜第６チャンネル振動子１００ｇが第２グループとされ、第７チャンネル振動子１００ｈ〜第９チャンネル振動子１００ｊが第３グループとされる。

図５は、超音波送受波器１の第１〜第３グループ振動子の配列パターンを示す平面図である。図５に示すように、第１グループ振動子１１０ａ、第２グループ振動子１１０ｂ及び第３グループ振動子１１０ｃは、互いの中心間距離が２ｄで、正三角形格子状に配列した位置関係を有する。また、超音波送受波器１は、船首−船尾方向と平行な方向、及び船首−船尾方向に対して±π／６の方向に対して、各グループの振動子がピッチｄで配列されている。詳細には、船首−船尾方向に平行な方向に、第１グループ振動子１１０ａ、第２グループ振動子１１０ｂ、第３グループ振動子１１０ｃの順番でピッチｄを有して配列され、船首−船尾方向に対して±π／６の方向に、第１グループ振動子１１０ａ、第３グループ振動子１１０ｃ、第２グループ振動子１１０ｂの順番でピッチｄを有して配列されている。

送信駆動信号生成回路３１は、制御部８から入力された制御信号に従い、振動子が所望周波数の送信信号を送信するための送信駆動信号を生成し、グループ毎に出力する送信駆動信号の位相制御を行う。図６（ａ）は、超音波送受波器１の第１〜第３グループ振動子への遅延制御（位相制御に相当）を示すブロック図であり、（ｂ）は、（ａ）に示す遅延制御を行った場合の水平方向に射影した送信ビームの進行方向を示す図である。

送信信号に含まれる所定周波数成分の波長をλとすると、図６（ａ）に示すように、基準の送信駆動信号と、２λ／３[m]だけ遅延した送信駆動信号と、λ／３[m]だけ遅延した送信駆動信号とが、３系統のバスラインによりそれぞれ送受波切替器２に出力される。２λ／３[m]だけ遅延した送信駆動信号は、第１グループ振動子１１０ａを構成する第１〜第３チャンネルの振動子（１００ａ〜１００ｃ）にそれぞれバスラインおよびポートＰ１〜Ｐ３を介して出力される。λ／３[m]だけ遅延した送信駆動信号は、第２グループ振動子１１０ｂを構成する第４〜第６チャンネルの振動子（１００ｅ〜１００ｇ）にそれぞれバスラインおよびポートＰ４〜Ｐ６を介して出力される。そして、基準の送信駆動信号は、第３グループ振動子１１０ｃを構成する第７〜第９チャンネルの振動子（１００ｈ〜１００ｊ）にそれぞれバスラインおよびポートＰ７〜Ｐ９を介して出力される。なお、２λ／３[m]だけ遅延した送信駆動信号を基準にすると、λ／３[m]だけ遅延した送信駆動信号は所定周波数で２π／３[rad]だけ位相進み（進相）の送信駆動信号、基準の送信駆動信号は所定周波数で４π／３[rad]だけ進相の送信駆動信号と見なすことができる。

このような送信駆動信号が各振動子に印加されると、第１グループ振動子１１０ａ、第２グループ振動子１１０ｂ及び第３グループ振動子１１０ｃから送信される超音波信号は、図６（ｂ）に示すように、船首方向、この船首方向から右舷方向に２π／３[rad]だけ回転した右舷後方、及び船首方向から左舷方向に２π／３[rad]だけ回転した左舷後方の三方向であって、かつ等位相面に直交する方向である、水平方向に対して所定の俯角θの方向に進む。このため、これらの方向を進行方向とする３つの送信ビームＴｘＢｅａｍ１〜ＴｘＢｅａｍ３が形成される。なお、俯角θは周波数とピッチｄとで決まる。

図７は、超音波送受波器から送信される超音波の位相制御を説明するための側面から見た概略図である。なお、図７は、説明の便宜上、上下逆となっている。送波面１Ａは、超音波送受波器１のフラットな面である。送波面１Ａの任意の一断面において、一方側からピッチｄを有して第１グループ振動子１１０ａ、第２グループ振動子１１０ｂ、第３グループ振動子１１０ｃが、この順で配列されている。

今、ピッチｄを有する第１〜第３グループ振動子１１０ａ〜１１０ｃに対して、順次２π／３[rad]ずつ移相した波長λの送信駆動信号を印加して超音波を送信するようにすると、このときのビームＴｘＢｅａｍ１の俯角（送波面１Ａからの傾斜角）θは、
ｄ・ｃｏｓθ＝λ／３＝ｃ／３ｆ０・・・（１）
（但し、ｃ＝ｆ０・λ）
と表される。

続いて、図８を用いて船速とドップラーシフト量との関係について説明する。図８は、船体を基準にしたｘｙｚ直交座標系とビーム方向単位ベクトル（Ｂｅａｍ１，２，３の斜交座標系）との関係を示す図で、図８（ａ）は全体斜視図、図８（ｂ）は平面図である。図８において、ｙ軸は船首−船尾方向、ｘ軸は左舷−右舷方向、ｚ軸は上下方向である。また、Ｂｅａｍ１，２，３は、平面視では図８（ｂ）に示すようにｙ軸（右舷方向を基準方位としたときの方位角φ１）をＢｅａｍ１として、左舷後方２π／３（右舷方向を基準方位としたときの方位角φ３）にＢｅａｍ３が、右舷後方２π／３（右舷方向を基準方位としたときの方位角φ２）にＢｅａｍ２が設定され、かつ、それぞれ所定の俯角が設定されている。また、船体ＳＨの移動速度ベクトルをＶ（Ｖｘ，Ｖｙ，Ｖｚ）とする。

そして、超音波（ｆ０［Ｈｚ］）が送信された方向と船体ＳＨの移動速度ベクトルＶとなす角をΨとし、船体ＳＨの移動速度ｖ[m/s]、船体から送信され水中からの反射波に含まれるドップラーシフト量ｆｄ[Hz]、水中音速ｃ[m/s]とすると、ドップラーシフト量ｆｄは、
ｆｄ＝２ｖｃｏｓΨ・ｆ０／ｃ・・・（２）
と表される。

今、Ｂｅａｍ２に着目すると、Ｂｅａｍ２の俯角をθとしたとき、Ｂｅａｍ２の単位ベクトルは、（ｃｏｓθｃｏｓφ２，ｃｏｓθｓｉｎφ２，−ｓｉｎθ）
となる。ここで、ｃｏｓΨは、内積の公式より、

であるので、（式２）に代入すると、Ｂｅａｍ２により観測されるドップラーシフト量は、

となる。

そして、Ｂｅａｍ１，３において観測される各ドップラーシフト量ｆｄ１，ｆｄ３も同様の関係が成立するため、これらを行列表現を導入して表すと、船体の速度とドップラーシフト量との関係は、

として表される。ここで簡単のため、各ビーム方向単位ベクトルのｘｙ平面（水平面）とのなす角である俯角を一律にθとし、さらに、φ１＝９０[deg]、φ２＝３３０[deg]、φ３＝２１０[deg]とする。このとき、（式５）は以下のようになる。

すなわち、船体ＳＨの速度Ｖｘ，Ｖｙ，Ｖｚは、水中音速ｃと、周波数ｆ０と、俯角θと、ドップラーシフト量ｆｄ１，ｆｄ２，ｆｄ３とを用いて表される。ここで、（式１）から得られるｃ／ｆ０＝３ｄｃｏｓθを、（式６）に代入すると、以下の通りとなる。

（式７）において、船体ＳＨの速度Ｖｘ，Ｖｙは、ドップラーシフト量ｆｄ１，ｆｄ２，ｆｄ３及びピッチｄから求められる。また、船体ＳＨの速度Ｖｚは、ｓｉｎθが関与するため、周波数依存性がある。しかし、速度Ｖｚは、船体ＳＨの上下方向への速度成分であるため、基本的には無視できるものであり、乃至は極めて小さい値であって周波数依存性の影響も小さい。ドップラー処理部６は、（式７）を予め記憶しておき、ドップラーシフト量ｆｄ１，ｆｄ２，ｆｄ３が検出された時点で、（式７）を用いて、Ｖｘ，Ｖｙを求め、あるいはＶｘ，Ｖｙ，Ｖｚを求めるようにすればよい。

ところで、本実施形態においては、送信駆動信号生成回路３１は、所定の範囲を有する広帯域の送信駆動信号を生成する。従って、第１〜第３グループ振動子１１０ａ〜１１０ｃから広帯域の送信信号が送信される。このときの広帯域の周波数と送信方向とドップラーシフト量との関係を説明する。

図９は、広帯域の周波数の超音波と送信方向との関係を説明する説明図である。周波数ｆ１，ｆ２は送信周波数の帯域範囲内の任意の２つの周波数を示している。送波面１Ａにおいて送信方向にピッチｄで配置された第１〜第３グループ振動子１１０ａ〜１１０ｃを用いて広帯域の超音波を送信すると、周波数によって俯角が異なる。

今、図９に示すように、周波数ｆ１で俯角θ１、周波数ｆ２で俯角θ２とすると、
ｆ１ｃｏｓθ１＝ｆ２ｃｏｓθ２＝ｃ／３ｄ・・・（８）
が成立する。一方、各ドップラーシフト量Δｆ１，Δｆ２は、
Δｆ１＝２ｖｃｏｓθ１・ｆ１／ｃ・・・（９）
Δｆ２＝２ｖｃｏｓθ２・ｆ２／ｃ・・・（１０）
と表される。ところで、（式９）中のｃｏｓθ１・ｆ１と（式１０）中のｃｏｓθ２・ｆ２とは、（式８）より等しい。従って、Δｆ１＝Δｆ２となる。すなわち、第１〜第３グループ振動子１１０ａ〜１１０ｃから広帯域の超音波を送信ビームＴｘＢｅａｍ１〜ＴｘＢｅａｍ３として送信する実施形態においては、ドップラーシフト量は使用周波数に依存しない。すなわち、図８において、ドップラーシフト量ｆｄ１，ｆｄ２，ｆｄ３は使用周波数とは無関係であって、周波数依存性がない。

そうすると、（式７）に示す船速の内、少なくともｘｙ面の船速は、ドップラーシフト量ｆｄ１，ｆｄ２，ｆｄ３及びピッチｄから求まるから、広帯域の周波数を使用しても何ら影響はない。

これは、送信方向に向けられた振動子を用いて、広帯域の周波数信号で送信する態様を採用した場合には、当該送信方向に対して広帯域内の全ての周波数が含まれ、その結果、各周波数に応じたドップラーシフトが生じる。従って、送信方向からの反射波中に周波数に応じたドップラーシフト成分が混在し、つまりドップラーシフト量が使用周波数に依存したものとなる。詳細には、送信周波数が高い程、ドップラーシフト量も比例的に大きく現れる。しかし、第１〜第３グループ振動子１１０ａ〜１１０ｃを用いて広帯域の周波数信号を送信する態様では、ドップラーシフト量は周波数依存性を有しない。

続いて、送信駆動信号生成回路３１の動作について説明する。前述したように、超音波送受波器１から送信される超音波信号は、所定波長範囲を有する広帯域の信号である。

図１０は、送信信号の波形の一例を示し、図１１は、送信波形のパワースペクトルの包絡線形状の一例を示す図である。所定の広帯域の送信信号は種々の方式で生成可能があるが、本実施形態では、図１０に示す、二相位相偏移変調方式（ＢＰＳＫ方式；Binary Phase Shift Keying）で符号化された広帯域信号を複数連ねた送信信号を用いる。この方式は、本出願人に係る特許出願（特開２００７−２９２６６８号公報）に記載されている通りであり、以下、簡単に説明する。送信駆動信号生成回路３１は、計測を行う毎にこの送信信号を超音波送受波器１から送信する。

送信信号は４つの同じエレメントからなり、各エレメントは上記符号化がされた７つのサブパルスからなる。図において、Ｔａは送信信号の時間幅、Ｔｂはエレメントの時間幅、Ｔｃはサブパルスの時間幅である。上記の時間幅Ｔａは、例えば０．７ｍｓ程度であり、サブパルスの周波数（キャリア周波数）は、例えば２５０ｋＨｚ程度である。尚、他の符号パターン（例えば、＋１＋１＋１−１＋１−１−１）を使用すると図１１に示す送信波形のパワースペクトルの包絡線形状が変化する。

各振動子１００で受信されたエコー信号を含む受信信号は、受信アンプ４で増幅され、受信ビーム形成回路５を経た後、さらに図略のＡ／Ｄ変換器でデジタル信号に変換されて、ドップラー処理部６内の図略のバッファメモリに一時的に格納される。ドップラー速度計は、受信信号中の１または複数の設定深度におけるエコー信号および海底からのエコー信号をバッファメモリから読み出し、それぞれのドップラーシフト量ｆｄを求めて出力する。ドップラー処理部６は、３方向（あるいは６方向）からの受信信号からドップラーシフト量を求める。なお、６方向のうちの他の３方向は、図６の位相差を第２グループ振動子１１０ｂに対して４π／３と、第３グループ振動子１１０ｃに対して２π／３とすることで得ることができる。

表示部７は、演算結果を報知のために表示するもので、例えば航路を基点とする矢印が所定間隔で表示され、矢印の向きで潮流の向きが示され、矢印の長さで潮流の速度が示される。潮流の速度及び向きは、対水船速（または対地船速）Ｖに基づいて求めればよい。

制御部８は、ＣＰＵ（中央演算処理部）や、ＤＳＰ（デジタルシグナルプロセッサ）、メモリ（プログラムメモリおよびデータメモリ）などから構成され、各種の演算やドップラー速度計の各部の制御などを行う。

ドップラー処理部６は、ＤＦＴ（Discrete Fourier Transform）により、送信波形に対して高速フーリエ変換アルゴリズムを用いて離散フーリエ変換を施して時間領域の送信波形を周波数領域の振幅スペクトルに変換する。さらに、振幅スペクトルを２乗して、図１１に示すパワースペクトルを生成する。このパワースペクトルＰt[fi]（fiはパワースペクトルＰt[i]の周波数）は所定波長、例えば１０Ｈｚ程度の分解能で生成されている。なお、各スペクトルである１区間を数[KHz]単位とし、重心計算区間を数個設定することで、広帯域を実現している。離散フーリエ変換および送信波形の性質上、パワースペクトルＰt[fi]は、２／Ｔｃの範囲に分布し、中心周波数ｆ０、すなわちピーク５１の周波数ｆ０はサブパルスの周波数に等しくなり、隣り合うピークの周波数差が１／Ｔｂとなり、各ピークの幅（各ピークのゼロクロス幅）が２／Ｔａとなる。

ドップラー処理部６は、重心周波数算出機能により、各ピーク５１等が各重心計算区間Ｗt[k]（k=1〜n）（図１１参照、Ｗt[1:n]とも表す）の中央に位置するように重心計算区間Ｗt[k]を決める。次に、パワースペクトルＰt[fi]を重みとして、重心計算区間Ｗt[k]ごとに重心周波数ｆwt[k]（k=1〜n）を次式で算出する。

ｆwt[k]＝Σ（Ｐt[fj]・fj）／ΣＰt[fj]
ここで、Ｐt[fj]は重心計算区間Ｗｔ[k]に属するパワースペクトルである。

ドップラー処理部６は、ＤＦＴによって、振幅スペクトルを２乗して図１２に示すパワースペクトルＰr[fi]（fiはパワースペクトルＰr[i]の周波数）を生成する。また、図１２からパワースペクトルＰr[fi]の中心周波数、すなわちピーク６１の周波数が送信波形のパワースペクトルＰt[fi]の中心周波数ｆ０からΔｆaだけずれていることが分かる。このΔｆaをドップラーシフト量として扱うことができる。なお、隣り合うピークの周波数差は、図１１のピーク間の周波数差（１／Ｔｂ）に略等しい。ドップラー処理部６は、送信波形のパワースペクトルＰt[ｆi]と受信信号のパワースペクトルＰr[ｆi]とからドップラーシフト量を求めて出力する。ドップラー処理部６は、ドップラー計測手段として機能し、パワースペクトルＰt[ｆi]とＰr[ｆi]との相互相関処理を行う。すなわち、パワースペクトルＰr[ｆi]に対してパワースペクトルＰｔ[ｆi]を前記の所定の分解能ずつシフトさせながら、各シフト状態で両パワースペクトルの積和演算を行なって演算結果を出力する。

図１３は、演算結果である相互相関出力を示す。中央に位置する最大のピーク７１は、パワースペクトルＰt[ｆi]のピーク５１がパワースペクトルＰr[ｆi]のピーク６１に一致したときのものであり、送信波形の中心周波数ｆ０からΔｆbだけずれている。また、ピーク７２はピーク５１がピーク６２に一致したときのものであり、ピーク７３はピーク５１がピーク６３に一致したときのものである。ドップラー処理部６は、相互相関出力のうち最大値をとるピーク７１を検出し、このピーク７１の周波数から送信波形の中心周波数ｆ０を減算した周波数差Δｆbをドップラーシフト量として扱う。なお、ドップラーシフト量は上記方法に限定されず、例えば上記のように積和演算して求めたドップラーシフト量を初期値として、より計測精度の高いドップラーシフト量ｆｄを求めるようにしてもよい。

次に、受信時の動作について簡単に説明する。受信時には、送受波切替器２は第１チャンネル振動子１００ａ〜第９チャンネル振動子１００ｊで受信した受信信号をそれぞれ個別のバスラインを介して、受信ビーム形成回路５に出力する。受信ビーム形成回路５は、それぞれ選択される３つのグループ振動子１１０ａ、１１０ｂ、１１０ｃの信号に基づいて、受信ビームＲｘＢｅａｍ１〜受信ビームＲｘＢｅａｍ３（あるいは必要に応じて、受信ビームＲｘＢｅａｍ１〜受信ビームＲｘＢｅａｍ３とは逆方向となる３方向）を形成する。

なお、本発明は、以下の態様を採用することができる。

（１）本実施形態では、第１〜第３グループ振動子１１０ａ〜１１０ｃに、０[rad]、２π／３[rad]，４π／３[rad]（あるいは０[rad]、４π／３[rad]，２π／３[rad]）の位相で送信駆動信号を出力するようにしたが、これに代えて、送信駆動信号生成回路３１によって、第１〜第３グループ振動子１１０ａ〜１１０ｃのうちのいずれかの２つのグループ振動子に互いにπ[rad]の位相差で送信駆動信号を出力するようにしてもよい。送信駆動信号については、図１０に示す送信信号を採用してもよい。図１４（ａ）は、位相制御を示すブロック図であり、図１４（ｂ）は、図１４（ａ）に示す位相制御を行った場合の水平方向に射影した送信ビームの進行方向を示す図である。図１４（ａ）に示すように、基準の送信駆動信号と、π（rad：ラジアン）だけ位相の異なる送信駆動信号とが、所定の２種類、例えば第１グループ振動子１１０ａと第３グループ振動子１１０ｃとに入力される。

位相差π（rad）を有する送信駆動信号が第１グループ振動子１１０ａ、第３グループ振動子１１０ｃに入力されると、超音波信号は、図１４（ｂ）に示すように、船首方向、船尾方向、船首方向から左舷、右舷方向に±π／３（rad）回転した方向、及び船首方向から左舷、右舷方向に±π２／３（rad）回転した方向の計６方向に対して、所定の俯角θを有して送信される。すなわち、６つの送信ビームＴｘＢｅａｍ１〜ＴｘＢｅａｍ３、ＴｘＢｅａｍ１’〜ＴｘＢｅａｍ３’が設定される。

（２）本実施携帯では、水平面上の２π／３[rad]毎の方向（ビーム送信方向）からのドップラーシフト量を得るようにしたが、少なくとも複数方向からのドップラーシフト量を得るようにすればよい。すなわち、平面上で複数方向に所定ピッチを有して振動子が配列され、各方向に対して位相差を利用して超音波を送信することで所定の俯角方向に位相合成された超音波を送信する態様であればよい。さらに、ｘｙｚ座標系とビーム送信方向との変換式を利用してドップラーシフト量と船体の速度との行列式を予め設定しておけばよい。

１送受波器
１００，１００ａ〜１００ｃ，１００ｅ〜１００ｊチャンネル振動子
１１０ａ〜１１０ｃグループ振動子
２送受波切替器
３１送信駆動信号生成回路（送信手段）
５受波ビーム形成回路
６ドップラー処理部（ドップラーシフト量検出手段、速度算出手段）
７表示部
８制御部

Claims

移動体から水中に送信された超音波の反射信号に含まれるドップラーシフト量から該移動体の速度を計測するドップラー速度計において、
平面上の所定の複数方位に所定のピッチを有してそれぞれアレイ状に配列され、超音波を送信する複数の振動子を備えた、前記移動体に装備される超音波送波器と、
前記所定の複数の方位にそれぞれ配列された各列の振動子間に所定の位相差を有する広帯域の送信信号をそれぞれ出力する送信手段と、
前記所定の複数の方位であって前記所定のピッチと超音波の周波数とから定まる俯角方向に送信された送信信号の受信信号からそれぞれのドップラーシフト量を検出するドップラーシフト量検出手段と、
前記各ドップラーシフト量及び前記所定ピッチの情報から前記移動体の速度を算出する速度算出手段とを備えたことを特徴とするドップラー速度計。
前記超音波送受波器は、正三角形格子形状の各交点であって２π／３毎の第１〜第３の方位を前記所定の複数の方位とし、各方位に所定ピッチを有してアレイ状に配列された複数の振動子を備えたものであり、
前記送信手段は、前記第１〜第３の方位にそれぞれ配列された各列の振動子間に所定の位相差を有する広帯域の送信信号を出力し、
前記ドップラーシフト量検出手段は、前記第１〜第３の方位に対応する各ドップラーシフト量を検出し、
前記速度算出手段は、前記第１〜第３の方位に対応する各ドップラーシフト量及び前記所定ピッチの情報から前記移動体の速度を算出することを特徴とする請求項１に記載のドップラー速度計。
前記速度算出手段は、前記各ドップラーシフト量及び前記所定ピッチの情報から前記移動体の速度を算出する演算式を予め記憶する記憶部を有し、前記演算式を用いて前記速度を算出するものであることを特徴とする請求項１又は２に記載のドップラー速度計。
前記速度算出手段は、前記移動体の速度であって、水平面上の速度を算出するものであることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載のドップラー速度計。