JP2014013162A - 探知装置、探知方法及び探知プログラム - Google Patents

Abstract

【課題】アダプティブビームフォーミング法によって到来方向を推定する場合に物標を正確に捉えられるようにする。
【解決手段】送信用トランスデューサ３０Ａは、互いに隔てて配置されている超音波振動子３１₁，３１₂を含む。送信機は、超音波振動子３１₁より送波されるパルス波Ｐ１に対して超音波振動子３１₂より送波されるパルス波Ｐ２を遅延させてパルス波Ｐ１に続いてパルス波Ｐ２が送波されるように送信信号を出力する。受信用トランスデューサの超音波振動子は、パルス波Ｐ１により生じる第１反射波とパルス波Ｐ２により生じる第２反射波とを受波できるように配置されている。受信機の到来方向推定装置では、受信用トランスデューサで続けて受波される第１反射波と第２反射波とを含む合成反射波から得られる合成エコー信号にアダプティブビームフォーミング法を適用して到来波に関する演算を行う。
【選択図】図２

Description

本発明は、受信素子アレイで受ける到来波の到来方向を推定するための到来方向推定装置を用いて物標を探知する探知装置、到来波の到来方向を推定して物標を探知する探知方法及びそのための探知プログラムに関する。

到来方向推定装置は、例えば超音波を用いて物標の探知を行う水中探知装置などにおいて、物標で反射される超音波の到来方向の推定のために使用される。例えば、従来の水中探知装置として、超音波振動子アレイにより構成されるトランスデューサを用いて超音波の送受信を行なうものがある。図１３は、超音波振動子アレイを用いた水中探知装置の一例を示す概念図である。船舶１００から海底に向けて送信ビーム１５１を照射し（図１３（ａ））、受信ビーム１５２を通して海底を見る（図１３（ｂ））。この結果、送信ビーム範囲と受信ビーム範囲が重なる部分の海底が調べられる。

このような超音波振動子アレイを用いた水中探知装置に適用して物標を探知するための方法として、従来からマルチビーム法（ビームフォーマ法）が知られている。マルチビーム法では、方位ごとにその方位にメインビームが向くような所定のビームパターンを持つ受信ビームを形成することで、方位ごとの超音波エコーの強さを推定することができる。

マルチビーム法では、超音波振動子アレイの開口長によって受信ビームのメインビーム幅が決まるため、方位分解能も超音波振動子アレイの開口長によって制限を受ける。そのため、精細な水中断面映像を取得するには、超音波振動子アレイの開口長を広げ、方位分解能を向上させる必要が生じる。これを実現するには、一般にアレイ素子数を増やす必要がある。また、受信ビームのサイドローブによる虚像を抑制するためにチェビシェフウェイト等を用いたビーム形成が一般に行なわれるが、それに伴いメインビーム幅は広がり、方位分解能が劣化する傾向がある。

アレイ素子数を増やすことなく方位分解能とサイドローブの虚像を改善する方法として、例えば、和差法やアダプティブビームフォーミング法が知られている。和差法は、例えばリニアアレイ型トランスデューサの出力を右半分の超音波振動子の出力と左半分のそれとに分け、両出力の和から両出力の差を差し引くことにより、あたかも受信ビームのメインビーム幅を細くし、サイドローブの虚像を抑制したかのような映像を得る手法である。しかし、和差法には、同距離にある複数のターゲットの検出が不正確になる欠点がある。

アダプティブビームフォーミング法は、マルチビーム法と違って、同じ方位であっても、受信信号に応じて異なるビームパターンを持つ受信ビームを形成する手法である。アダプティブビームフォーミング法として、例えば非特許文献１に記載されているCapon法がある。Capon法は、走査方向以外からの到来波をできる限り受信しないビームパターンを持つ受信ビームを形成することで、方位分解能の向上とサイドローブによる虚像の抑制を実現している。

菊間信良著「アレーアンテナによる適応信号処理」科学技術出版、１９９８年１１月２５日。

しかし、受信する到来波に相関性がないことを前提に到来波を推定するCapon法等のアダプティブビームフォーミング法をアクティブソナー等の水中探知装置にそのまま適用すると、反射波の相関性のために、海底等のターゲットの映像が不正確になる。そのため、Capon法を用いた水中探知装置の実用化が困難な状況にある。

この発明の目的は、アダプティブビームフォーミング法によって到来方向を推定する場合に、物標を正確に捉えることのできる探知装置、探知方法及び探知プログラムを提供することである。

本発明に係る探知装置は、互いに隔てて配置されている第1送信素子及び第２送信素子を含む送信素子アレイと、第１送信素子より送波される第１パルス波に対して第２送信素子より送波される第２パルス波を遅延させて第１パルス波に続いて第２パルス波が送波されるように送信素子アレイに送信信号を出力する送信機と、第１パルス波により生じる第１反射波と第２パルス波により生じる第２反射波とを受波できるように配置されている複数の受信素子からなる受信素子アレイと、受信素子アレイで続けて受波される第１反射波と第２反射波とを含む合成反射波から得られる合成エコー信号にアダプティブビームフォーミング法を適用して到来波に関する演算を行う到来方向推定装置を有する受信機とを備えるものである。

本発明の探知装置では、第１送信素子と第２送信素子が隔てて配置されているために反射体に対する第１送信素子からの距離と第２送信素子からの距離が方位によって変化することから、受信素子アレイに合成反射波が戻ってくるときの方位によって、相互に連続する第１反射波と第２反射波とを含む合成反射波の波形が様々に変化することになる。そのため、受信素子アレイの異なる方位で受波される合成反射波間の相互の相関性を弱めることができ、アダプティブビームフォーミング法を適用したときに検出される合成反射波の強度が互いの相関性によって低下するのを抑制することができる。

本発明に係る探知方法は、第１送信素子より第１パルス波を送波するとともに、第１送信素子から隔てて配置されている第２送信素子より第１パルス波に対して遅延した第２パルス波が第１パルス波に続いて送波されるパルス波送波ステップと、第１パルス波により生じる第１反射波と第２パルス波により生じる第２反射波とを複数の受信素子からなる受信素子アレイで受波する反射波受波ステップと、受信素子アレイで続けて受波される第１反射波と第２反射波とを含む合成反射波から得られる合成エコー信号にアダプティブビームフォーミング法を適用して到来波に関する演算を行う到来方向推定ステップとを備えるものである。

本発明の探知方法では、第１送信素子と第２送信素子が隔てて配置されているために反射体に対する第１送信素子からの距離と第２送信素子からの距離が方位によって変化することから、反射波受波ステップにおいて、合成反射波が戻ってくる方位によって、相互に連続する第１反射波と第２反射波とを含む合成反射波の波形が様々に変化することになる。そのため、異なる方位で受波される合成反射波間の相互の相関性を弱めることができ、到来方向推定ステップにおいてアダプティブビームフォーミング法を適用したときに検出される合成反射波の強度が互いの相関性によって低下するのを抑制することができる。

本発明によれば、反射波の強度が信号同士の相関性によって低下するのが抑制されるため、反射波の検出が正確に行えるようになることから物標を捉えるときの正確さが増す。

本発明の一実施形態に係る水中探知装置の概要を示すブロック図。 送信用トランスデューサが送波するパルス波の概念を説明するための概念図。 （ａ） 方位０度の方向に送波されるパルス波を説明するための波形図。（ｂ） 方位−９０度の方向に送波されるパルス波を説明するための波形図。 （ａ） サブアレイを用いる送信用トランスデューサの構成の一例を説明するための概念図。（ｂ） サブアレイを用いる送信用トランスデューサの構成の他の例を説明するための概念図。 ウェイトを掛けられたサブアレイのパルス波の送信ビームパターンを説明するためのグラフ。 ウェイトを掛けられたサブアレイのパルス波の位相特性を説明するためのグラフ。 本実施形態の水中探知装置で受波される異なる２つの方位からの到来波の相関性を示すグラフ。 受波ビームを形成するアダプティブアレイを説明するための概念図。 海底の状況を探知する場合の到来方向推定手順を説明するためのフローチャート。 送信用及び受信用トランスデューサを用いた海底探知の状況を示す概念図。 本実施形態の水中探知装置を用いた場合の効果を説明するためのグラフ。 送信用トランスデューサが送波するパルス波の他の概念を説明するための概念図。 （ａ） 従来のマルチビーム法の海底観測における送信ビームを説明するための概念図。（ｂ） 従来のマルチビーム法の海底観測における受信ビームを説明するための概念図。 本発明の一実施形態に係る他の水中探知装置の概要を示すブロック図。

以下、本発明の一実施形態に係る水中探知装置について図１を参照しながら説明する。図１は、到来方向推定装置を備える水中探知装置の構成の概要を示すブロック図である。

（１）水中探知装置の構成の概要
図１に示されているように、水中探知装置１０は、送信機２０と、送信用トランスデューサ３０と、受信用トランスデューサ４０と、受信機５０と、操作・表示装置６０とを備えている。送信用トランスデューサ３０及び受信用トランスデューサ４０は、例えば、キャリア周波数における２分の１波長の間隔で等間隔に超音波振動子３１，４１が直線状に配置されているリニアアレイ型トランスデューサである。送信用トランスデューサ３０で送信されたパルス波によって生じる反射波を受信用トランスデューサ４０で受信するため、送信用トランスデューサ３０及び受信用トランスデューサ４０は、例えば船底に装備されて海中に露出されている。

（１−１）送信機と送信用トランスデューサ
送信用トランスデューサ３０は、送信機２０に接続されている。送信機２０は、後述する操作・表示装置６０で設定された条件に基づいて送信信号を生成する。送信機２０は、送波時には、後述するパルス波を送信用トランスデューサ３０の多数の超音波振動子３１が相互に関連して送波するように送信信号を出力する。

送信用トランスデューサが送波するパルス波の概念を、図２を用いて説明する。図２に記載されている送信用トランスデューサ３０Ａは、キャリアの波長λの２分の１ずつ離れて隣接する３つの超音波振動子３１₁，３１₂，３１₃からなる。送信用トランスデューサ３０Ａから送信されるパルス波のパルス長を例えば０．３ｍｓとすると、各超音波振動子３１₁，３１₂，３１₃から０．１ｍｓのパルス長のパルス波Ｐ１，Ｐ２，Ｐ３がそれぞれ送波される。これらの３つのパルス波を足し合わせるとほぼ０．３ｍｓのパルス長のパルス波が得られる。これら３つのパルス波Ｐ１，Ｐ２，Ｐ３の方位について、超音波振動子３１₁，３１₂，３１₃の並ぶ方向に対して直交する方位を０度、超音波振動子３１₁，の方にθだけ傾いた時の角度を−θ度、そして超音波振動子３１₃，の方にθだけ傾いた時の角度をθ度と表すものとする。

例えば、θが９０度の場合には、パルス波は超音波振動子３１₁，３１₂，３１₃の並ぶ方向に沿って超音波振動子３１₃の方に向かって放射される。そのため、超音波振動子３１₂を基準にすると、超音波振動子３１₁のパルス波Ｐ１は、超音波振動子３１₂のパルス波Ｐ２よりも超音波振動子３１₁と３１₂の間隔（λ／２）だけ位相が進む。換言すれば、θ＝−９０度のときに超音波振動子３１₁のパルス波Ｐ１は、超音波振動子３１₂のパルス波Ｐ２よりも位相がπラジアンだけ進む。逆に、θ＝９０度のときには、超音波振動子３１₃のパルス波Ｐ３は、超音波振動子３１₂のパルス波Ｐ２よりも位相がπラジアンだけ遅れる。従って、方位０度の方向に送波される合成パルス波は、図３（ａ）に示されているように超音波振動子３１₁，３１₂，３１₃のパルス波Ｐ１，Ｐ２，Ｐ３が切れ目なく連続しているような波形になる。一方、方位−９０度の方向に送波される合成パルス波は、図３（ｂ）に示されているように超音波振動子３１₁，３１₂，３１₃のパルス波Ｐ１，Ｐ２，Ｐ３が半波長λ／２だけ離れて断続的に続いているような波形になる。これら図３（ａ）のパルス波と図３（ｂ）のパルス波は、位相をずらしても互いに重なり合うことがないため、相関性が弱くなっている。

次に、図４（ａ）を用いて、サブアレイを用いる送信用トランスデューサの構成の概念を説明する。図２及び図３を用いて説明した送信用トランスデューサ３０Ａからパルス波を送信する動作は、送信用トランスデューサ３０Ａの超音波振動子３１₁，３１₂，３１₃から放射される３つのパルス波Ｐ１，Ｐ２，Ｐ３がそれぞれのタイミングで順次送波されるというものである。一方、図４に示されている送信用トランスデューサ３０Ｂは、ｈ+２個の超音波振動子３１₁〜３１_h+2を持っており、３つの超音波振動子が一つの組（サブアレイ）を構成している。例えば、サブアレイＳｕａ₁は超音波振動子３１₁〜３１₃で構成され、サブアレイＳｕａ_hは超音波振動子３１_h〜３１_h+2で構成されている。このようにして、図４（ａ）の送信用トランスデューサ３０Ｂには、ｈ個のサブアレイＳｕａ₁〜Ｓｕａ_hが形成される。そして、各サブアレイＳｕａ₁〜Ｓｕａ_hから放出されるパルス波はサブアレイＳｕａ₁〜Ｓｕａ_h毎に異なるタイミングで順次送波される。そのために、送信機２０の送信信号発生部２１に設定されている又は送信信号発生部２１で計算される各超音波振動子３１₁〜３１_h+2のタイミングとウェイトに基づいて送信信号が送信機２０から超音波振動子３１₁〜３１_h+2に与えられる。

ここで、サブアレイを用いる送信用トランスデューサについて、８つの超音波振動子３１₁〜３１₈を持つ具体例を挙げて説明する。図４（ｂ）に示されている送信用トランスデューサ３０Ｃは、λ／２ピッチで８つの超音波振動子３１₁〜３１₈を直線状に配置したリニアアレイであり、３つのサブアレイＳｕａ₁₁〜Ｓｕａ₁₃を構成している。

各サブアレイＳｕａ₁₁〜Ｓｕａ₁₃は表１に示されているウェイトを各超音波振動子に掛けて６つの超音波振動子にパルス波の送波を行わせる。表１の素子番号は、例えば超音波振動子３１₁〜３１₈の符号の引数の小さい順あるいは引数の大きい順に並べたときの順番を表している。表１に示されているウェイトは複素数である。

このようなウェイトを掛けて送波を行うと、各サブアレイＳｕａ₁₁〜Ｓｕａ₁₃のパルス波はそれぞれ図５に示されている送信ビームパターンを持つ。図５の送信ビームパターンの中心付近にくぼみ（音圧が小さくなっている部分）を付けているのは、送信用トランスデューサ３０Ｃの真下の海底の虚像を抑制するためである。

表１のウェイトは、素子番号１と６、２と５、３と４のウェイトが異なる左右非対称なものである。そのため、素子番号１と６、２と５、３と４のウェイトを相互に入れ替えて左右のウェイトをひっくり返して送信すると、送信ビームパターンが同じで位相が異なる送波ビームを送波することができる。このような２種類のウェイトの掛け方を３つのサブアレイＳｕａ₁₁〜Ｓｕａ₁₃に適用すると、表２に示されているようなウェイトになり、振幅特性が同じで位相特性のみ異なる６つの送波ビームを生成できる。なお、表２には複素数の虚部の記載が省かれている。図６に示されているように６つの送波ビーム全てが異なる位相特性を持っているので、３つのサブアレイＳｕａ₁₁〜Ｓｕａ₁₃で６つの送波ビームを使ってパルス波を送波すると、３つのサブアレイＳｕａ₁₁〜Ｓｕａ₁₃で３つの送波ビームを使ってパルス波を送波する場合に比べて相関性の抑制効果が大きくなる。

図７は、０度の方位からの到来波と０度以外の方位からの到来波の相関性を示すグラフである。図７において、黒丸を結んだグラフは従来のように８つの超音波振動子３１₁〜３１₈から同時に送波した所定パルス長のパルス波から生じる反射波（到来波）の相関性を示しており、白丸を結んだグラフは表２に示されているウェイトを掛けた６種類の送信ビームを順次遅延させて所定パルス長の６分の１ずつ送波して形成されるパルス波から生じる反射波（到来波）の相関性を示している。８つの超音波振動子３１₁〜３１₈から同じパルス波を同時に送波した場合には、例えば、０度方位の到来波と１５度方位の到来波の相関性は１になる。それに対して、表２のようなウェイトを掛けて８つの超音波振動子３１₁〜３１₈から順次６つの送波ビームを送波した場合には、例えば０度方位の到来波と１５度方位の到来波の相関性は０．４になる。

（１−２）受信用トランスデューサと受信機
受信用トランスデューサ４０は、受信機５０に接続されている。受信用トランスデューサ４０は、受波した反射波に応じたエコー信号を受信機５０に出力する。受信機５０は、受信したエコー信号を処理して映像信号に変換し、操作・表示装置６０に映像信号を出力する。操作・表示装置６０は、受信機５０から出力された映像信号に応じた映像を表示画面に表示する。この操作・表示装置６０は、種々の入力キーなどを備えており、超音波の送受信や映像表示に必要な種々の設定や種々のパラメータなどを入力できるように構成されている。受信機５０の設定に応じて、後述するアダプディブビームフォーミング法の定数などを操作・表示装置６０から入力するように構成してもよい。

受信機５０は、増幅器５１と、Ａ／Ｄ変換器５２と、検波器５３と、信号処理部５４とを備えている。

増幅器５１は、図８に示されているＫ個の超音波振動子４１₁〜４１_Kのそれぞれの電気信号を増幅してＫ個の受信信号を出力する。Ａ／Ｄ変換器５２は、増幅器５１から出力される受信信号を複素のデジタル信号に変換し、複素受信データとして信号処理部５４に出力する。検波器５３は、Ａ／Ｄ変換器５２から出力されるデジタル信号をＩＱ検波等の方法を用いて検波する。信号処理部５４では、検波器５３から出力される複素受信データを処理して映像信号を生成する。信号処理部５４は、映像信号の生成などの信号処理に際して、受信用トランスデューサ４０で受波する到来波の到来方向を推定する処理を到来方向推定装置７０において行なう。この到来方向の推定結果を用いて、水中断面映像等を形成することができる。

（２）到来方向推定装置の構成
到来方向推定装置７０は、Ｒ計算部７１と、空間平均処理部７２と、減衰行列加算部７３と、Ｃａｐｏｎ法出力計算部７４と、到来方向及び強度計算部７５とを備えている。この到来方向推定装置７０は、例えば図示しないＣＰＵ、ＦＰＧＡ及びメモリなどのデバイスで構成される。例えば、ＣＰＵがメモリからプログラムを読み出して実行することによりＲ計算部７１と空間平均処理部７２と減衰行列加算部７３とＣａｐｏｎ法出力計算部７４と到来方向及び強度計算部７５の機能を構成することができる。

これらの構成を説明する前に、到来方向推定装置７０の推定の対象となる受信データと受信用トランスデューサ４０との関係について図８を用いて説明する。図８は受波ビームを形成するアダプティブアレイを説明するための概念図である。図８に示されているように、受信用トランスデューサ４０は、例えば一直線に並んだＫ個の超音波振動子４１₁〜４１_Kからなり、超音波振動子４１₁〜４１_Kの配置位置は、基準点Ｐからｄ₁〜ｄ_Kの距離にある。そして、超音波振動子４１₁〜４１_Kの互いに隣接する振動子同士の間隔が、例えば超音波のキャリア周波数における２分の１波長である。図８においては、所望波が角度θで超音波振動子４１₁〜４１_Kに入射している状態が示されている。

時刻ｔにおける超音波振動子４１₁〜４１_Kの複素受信信号をまとめて入力ベクトルＸ（ｔ）で表すことができ、Ｘ（ｔ）＝〔ｘ₁（ｔ），ｘ₂（ｔ），…ｘ_K（ｔ）〕^Tである。ここで、Ｔは転置を表している。

Ｒ計算部７１は、入力ベクトルＸ（ｔ）から時刻ｔにおける相関行列Ｒ（ｔ）を算出する。相関行列Ｒ（ｔ）は次の（１）式で与えられる。
Ｒ（ｔ）＝Ｅ［Ｘ（ｔ）Ｘ^H（ｔ）］ …（１）

ここで、Ｅ［・］は、期待値（アンサンブル平均）を求める操作を表し、Ｈは複素共役転置を表す。アンサンブル平均は、時間平均で代用される。つまり、時刻ｔにおける相関行列Ｒ（ｔ）を求めるにあたり、その前後のサンプリング時刻における入力ベクトルも用いる。一様時間平均の場合、次のようになる。

相関行列Ｒ（ｔ）の時間平均は一様でなく、適当な重みを付けた時間平均でもよい。また時間平均は行なわなくてもよい。以降の説明で、相関行列Ｒ（ｔ）の時間平均は行なわないこととする。また、特定の時刻における相関行列のみを考えることとし、相関行列と入力ベクトルの引数ｔを省く。

空間平均処理部７２は、サブアレイを使って相関行列Ｒの空間平均を行なって空間平均相関行列Ｒ_avを算出する。図８には、連続したＫ個の超音波振動子を１個ずつずらしながらＮ個のサブアレイＳｕｂ₁〜Ｓｕｂ_nを取り出す例が示されている。

第ｎサブアレイの入力ベクトルＸｎは、（２）式で与えられる。
Ｘ_n＝〔ｘ_n，ｘ_n+1，…ｘ_n+K-1〕^T （ｎ＝１，２，…Ｎ） …（２）

したがって、第ｎサブアレイの部分相関行列Ｒ_nは（３）式で与えられる。
Ｒ_n＝Ｅ［Ｘ_nＸ^H _n］ （ｎ＝１，２，…Ｎ） …（３）

各部分相関行列Ｒ_nに対する重み付けをｗ_n（ｎ＝１，２，…Ｎ）とすると、Ｎ個の部分相関行列の平均（空間平均）によって（４）式の空間平均相関行列Ｒ_avが得られる。重みの例として、ｗ_n＝１／Ｎがあり、一様空間平均と呼ばれる。このような空間平均処理部７２での処理を行うため、Ｒ計算部７１では、部分相関行列Ｒ_nの算出が行なわれ、算出された部分相関行列Ｒ_nが空間平均処理部７２に対して出力される。

減衰行列加算部７３は、受信用トランスデューサ４０の感度によって定まる定数ｓと、所望波の伝搬距離ｒに応じて定まる対角行列を生成して空間平均相関行列Ｒ_avに加算する。受信用トランスデューサ４０の感度によって定まる定数ｓは、その受信用トランスデューサ４０を用いた実測結果などに基づいて定めることができ、例えば実測において定数ｓを変化させたときにＳＮ比が最も良好になる値が選択される。また、伝搬距離ｒは、受信用トランスデューサ４０から超音波が送波されてから受信用トランスデューサ４０で反射波が受波されるまでの時間から求まる。この減衰行列Ｄは、例えば到来波の減衰が伝搬距離ｒの２乗に比例する場合には、単位行列Ｉを用いて次の（５）式で与えられる。したがって、減衰行列加算部７３の出力Ｒ_DLは、（６）式で与えられる。
Ｄ＝（ｓ／ｒ²）×Ｉ …（５）
Ｒ_DL＝Ｒ_av＋δＩ （ただし、δ＝ｓ／ｒ²） …（６）

Ｃａｐｏｎ法出力計算部７４は、従来のＣａｐｏｎ法で用いられていた相関行列Ｒに代えて減衰行列加算部７３の出力である相関行列Ｒ_DLを用いてＣａｐｏｎ法の出力Ｐ（θ）を算出する。Ｃａｐｏｎ法の出力である角度スペクトルＰ（θ）は、ステアリングベクトルａ（θ）を用いて（７）式で与えられる。

ステアリングベクトルａ（θ）は、アレイの形状によって決まる。素子の配列がリニアアレイであり、かつその位置が図８のように基準点Pから見てd1〜dKで表される場合には、ステアリングベクトルａ（θ）は次式で与えられる。次式において、λは搬送波（超音波）の波長を表し、ｊは虚数単位を表す。

（７）式で示されるＣａｐｏｎ法の角度スペクトラムから、到来方向及び強度計算部７５において、角度θを変化させたときのピーク（極大値）の位置により到来方向が検出され、ピークの高さにより到来波の電力（到来波の強度）が検出される。

（３）到来方向推定手順
上述の到来方向推定装置７０における到来方向推定の手順をまとめて、海底の状況を探知する場合について図９のフローチャートに沿って説明する。まず、送信用トランスデューサ３０から送信ビームが海底に向けて送波される。そして、海底で反射された反射波が受信用トランスデューサ４０で受波される。このとき、受信ビームを所定角度の範囲、例えば鉛直下方を０度として−６０度から６０度の範囲で走査して所望波の到来方向についてその電力を検出する。

図１０に、船舶１００が送信用トランスデューサ３０及び受信用トランスデューサ４０を用いて海底１０１の探知を行う状況が概念的に示されている。水平方向に広がりを持つ海底１０１に対して、送信用トランスデューサ３０や受信用トランスデューサ４０から等距離にある位置は図１０に破線で示されているように扇型に広がる。そこで、船舶１００の鉛直下方から横に広がる海底を探知するために、所定時間毎に受信ビームを走査する。例えば、所定時間経過ごとに受信ビームの所望波の方位（ステアリングベクトルのθ）を−６０度から６０度まで変化させて−６０度から６０度の範囲を走査する。そのために、アダプティブビームフォーミングを行なう処理などは、受信データを一旦信号処理部５４に記憶してから行われる。このとき、図１０の反射波Ｕ１，Ｕ２，Ｕ３は、仮に反射される距離が等しいと仮定するとそれらの送信される方位が異なるため、互いに波形が異なって互いに相関性が低くなっている。つまり、受信用トランスデューサ４０で同時に受信される到来波の波形が互いに異なるということである。その結果、反射波Ｕ１，Ｕ２，Ｕ３は、アダプティブビームフォーミングにおいて明確に区別して処理され易くなる。

例えば、受信用トランスデューサ４０から超音波が送波された直後（時刻ｔ＝０の時点）から所定時間が経過する毎に入力ベクトルが生成され、例えば、時刻ｔ＝ΔＴの時点の入力ベクトルＸがＸ（ｔ₁）である。さらに時刻ｔ＝γから所定時間が経過する毎に入力ベクトルＸ（ｔ₂），Ｘ（ｔ₃）…Ｘ（ｔ_n）が生成される。受信用トランスデューサ４０から増幅器５１、Ａ／Ｄ変換器５２及び検波器５３を経て到来方向推定装置７０に与えられる入力ベクトルＸ（ｔ）は、これら入力ベクトルＸ（ｔ₁），Ｘ（ｔ₂）…，Ｘ（ｔ_n）である（ステップＳ１）。例えば、所定時間をΔＴとすると、入力ベクトルＸ（ｔ_n）の到来波の伝搬距離ｒは、海中の音速ｖを用いて、ｒ=ΔＴ×ｎ×ｖで与えられる。

これらの各入力ベクトルＸ（ｔ）について、Ｒ計算部７１において部分相関行列Ｒ_nが算出される（ステップＳ２）。そして、部分相関行列Ｒ_nを用いて、空間平均処理部７２で空間平均処理が行なわれ、空間平均相関行列Ｒ_avが算出される（ステップＳ３）。

次に、減衰行列加算部７３では、超音波の伝搬距離ｒから減衰行列Ｄが計算される。定数ｓは、水中探知装置１０が定まれば、予め決定できる数値である。例えば、入力ベクトルＸ（ｔ₁）の減衰行列Ｄ（ｔ₁）の各要素の値と入力ベクトルＸ（ｔ₃₀）の減衰行列Ｄ（ｔ₃₀）の各要素の値は異なり、両者の比較では減衰行列Ｄ（ｔ₁）の各要素の値の方が減衰行列Ｄ（ｔ₃₀）の各要素の値よりも大きくなる。減衰行列加算部７３からは、所定時間毎に、空間平均相関行列Ｒ_avに減衰行列Ｄが加算されて相関行列Ｒ_DLが出力される（ステップＳ４）。

次に、Ｃａｐｏｎ法出力計算部７４では、相関行列Ｒ_DLの逆行列に基づいて出力Ｐ（θ）、つまり角度スペクトルが算出される（ステップＳ５）。このとき、（７）式のステアリングベクトルａ（θ）としては、各入力ベクトルＸ、例えば入力ベクトルＸ（ｔ_n）に対してステアリングベクトルａ（−６０°），ａ（−５９°），…ａ（０°），…，ａ（５９°），ａ（６０°）が用いられる。

到来方向及び強度計算部７５においては、この出力Ｐ（θ）のθを変化させてピーク（極大値）の位置から到来方向の推定が行なわれる（ステップＳ６）。また、到来方向及び強度計算部７５において、極大値から到来波の信号レベル（強度）が推定される（ステップＳ７）。

各入力ベクトルＸ（ｔ₁）,Ｘ（ｔ₂）,…Ｘ（ｔ_n）について、上述のような走査が行われ、求められた角度スペクトラムから画像形成がなされる（ステップＳ８）。一つの時刻（距離）について角度スペクトラムを計算すると、それが画像１ライン分の濃淡データになる（Ｐ（θ）の値がその色と対応する）。目的の距離までの角度スペクトラムＰ（θ）を全て取得すれば、角度−距離の２次元濃淡画像を形成できる。角度−距離の２次元濃淡画像のデータを座標変換し、水平距離−垂直距離の２次元画像とすれば、操作・表示装置６０で表示する画像が得られる。従って、到来方向の推定（ステップＳ６）や到来波の信号レベルの推定（ステップＳ７）を行わなくても画像形成（ステップＳ８）を行うことができ、ステップＳ６，Ｓ７とステップＳ８は並列で処理することができる。

＜特徴＞
（１）
上記実施形態の図２では、３つの超音波振動子３１₁〜３１₃（送信素子）を用いて説明したが、例えば、送信用トランスデューサ３０Ａ（送信素子アレイ）のうちの少なくとも２つの超音波振動子３１₁，３１₂を持っていれば、相関性を弱めるという効果を奏することができる。

例えば超音波振動子３１₁（第１送信素子）と超音波振動子３１₂（第２送信素子）とは、互いにキャリア周波数の２分の１波長λ／２隔てて配置されている。図２に示されているように、超音波振動子３１₁（第１送信素子）より送波されるパルス波Ｐ１（第１パルス波）に対して、超音波振動子３１₂（第２送信素子）よりパルス波Ｐ２（第２パルス波）が遅延して送波される。このように、パルス波Ｐ１に続いてパルス波Ｐ２が送波されるように送信用トランスデューサ３０Ａに送信機２０（図１参照）から送信信号が出力される。

このようにして送信されるパルス波Ｐ１とパルス波Ｐ２の反射波で構成される例えば図１０の反射波Ｕ１，Ｕ３（合成反射波）は、同一距離の異なる方位で反射されると、パルス波Ｐ１とパルス波Ｐ２の位相が異なるために図３を用いて説明したように反射波Ｕ１，Ｕ３の波形が異なるものになり、相互の相関性が低下する。

このように相関性が低下した反射波Ｕ１，Ｕ３について受信機５０の到来方向推定装置７０ではＣａｐｏｎ法（アダプティブビームフォーミング法）を適用してＣａｐｏｎ法の出力Ｐ（θ）の計算（到来波に関する演算）を行っている。

例えば、図１１は、図４（ｂ）に示した８つの超音波振動子を用いた場合のマルチビーム法による検出結果Ｍａと、相関性が高い場合のＣａｐｏｎ法による演算結果Ｃａ１と、本実施形態による水中探知装置１０による演算結果Ｃａ２の一例を示すグラフである。相関性が高い場合とは、送信用トランスデューサ３０Ｃの超音波振動子３１₁〜３１₈から同じパルス波を同時に送信して、サブアレイ化していない受信用トランスデューサ４０で受信した場合のシミュレーション結果である。水中探知装置１０による検出結果は、同様に８つの超音波振動子３１₁〜３１₈からなる送信用トランスデューサ３０Ｃを用い、８つの超音波振動子４１₁〜４１₈からなる受信用トランスデューサ４０を用い、送受信ともに３つのサブアレイを用いたときのシミュレーション結果である。この水中探知装置１０では、マルチビーム法に比べてサイドローブを低減でき、相関性が高い場合のＣａｐｏｎ法に比べて出力が改善されていることが分かる。

以上説明したように、超音波振動子３１₁と超音波振動子３１₂が隔てて配置されているために反射体に対する超音波振動子３１₁からの距離と超音波振動子３１₂からの距離が方位によって変化することから、送信用トランスデューサ３０Ｃに合成反射波Ｕ１，Ｕ３が戻ってくるときの方位によって合成反射波の波形が様々に変化することになる。このことは、超音波振動子の個数が増えても同じであり、例えば超音波振動子３１₃が追加されても同じである。本願発明の効果を奏するためには、上述した超音波振動子３１₁と超音波振動子３１₂のような条件を満たす超音波振動子が少なくとも２つ送信用トランスデューサ３０に含まれていればよい。

（２）
上記実施形態の送信機２０は、パルス波Ｐ１（第１パルス波）及びパルス波Ｐ２（第２パルス波）を含む合成パルス波がファンビームとなるように送信用トランスデューサ３０Ａ（送信素子アレイ）に送信信号を出力する。例えば、送信ビームとしてペンシルビームのようにビームの指向性の高いものを用いると反射波が生成されない領域も出てくるため、海底地形を探索する場合など広範囲の探知を行う場合には全体で満遍なく反射波が生成されるファンビームを用いる方が有利である。

（３）
図４を用いて説明したように、送信機２０から送信される送信信号により、送信用トランスデューサ３０Ｂ，３０Ｃは、サブアレイＳｕａ₁〜Ｓｕａ_h，Ｓｕａ₁₁〜Ｓｕａ₁₃の単位で動作する。例えば、超音波振動子３１₁，３１₂，３１₃で構成されているサブアレイＳｕａ₁と超音波振動子３１₂，３１₃，３１₄で構成されているサブアレイＳｕａ₂とを比較してみる。サブアレイＳｕａ₁（第１送信サブアレイ）は、超音波振動子３１₁，３１₃（第１送信素子及び第３送信素子）を含み、そして、サブアレイＳｕａ₂（第２送信サブアレイ）は、超音波振動子３１₂，３１₄（第２送信素子及び第４送信素子）を含んでいるとみなすことができる。このようにみなすと、サブアレイＳｕａ₁₁の音響中心とサブアレイＳｕａ₁₂の音響中心とは、キャリア周波数の２分の１波長λ/２隔てて配置されている。

そのため、２つのサブアレイＳｕａ₁₁，Ｓｕａ₁₂は、それぞれの音響中心に配置された一つの超音波振動子と同様に扱うことができる。その結果、送信用トランスデューサ３０Ｂは、超音波振動子３１₁〜３１₃から送波される第１サブアレイパルス波に続いて超音波振動子３１₂〜３１₄から送波される第２サブアレイパルス波を送波することができる。

このようにして送信される第１サブアレイパルス波と第２サブアレイパルス波の反射波で構成される例えば図１０の反射波Ｕ１，Ｕ３（合成反射波）は、同一距離の異なる方位で反射されると、互いの音響中心が隔てて配置されているために第１サブアレイパルス波と第２サブアレイパルス波の位相がわずかに異なって反射波Ｕ１，Ｕ３の波形が異なるものになり、相互の相関性が低下する。

なお、送信サブアレイは、上述の第１送信サブアレイと第２送信サブアレイに限られるものではなく、上記実施形態で説明した送信用トランスデューサ３０Ｂ，３０Ｃのように、音響中心が互いに隔てられている３つ以上の送信サブアレイで送信用トランスデューサ（送信素子アレイ）が構成されてもよい。つまり、送信素子アレイに第３送信サブアレイなど他の送信サブアレイを追加することもできる。

（４）
上記実施形態の送信機２０は、サブアレイＳｕａ₁〜Ｓｕａ_hやサブアレイＳｕａ₁₁〜Ｓｕａ₁₃が送波するパルス波の合成パルス波がファンビームとなるように送信用トランスデューサ３０Ｂ，３０Ｃ（送信素子アレイ）に送信信号を出力する。合成パルス波をファンビームとすると、海底地形を探索する場合など広範囲の探知を行う場合に有利である。

（５）
上記実施形態では、表１で示されているように、例えばサブアレイＳｕａ₁₁，Ｓｕａ₁₂（第１送信サブアレイ及び第２送信サブアレイ）を構成する超音波振動子３１₁〜３１₄（第１送信素子、第２送信素子、第３送信素子及び第４送信素子）の重み付けが行われる場合について説明している。このような重み付けを行うことで、サブアレイＳｕａ₁₁，Ｓｕａ₁₂から送波されるパルス波（第１サブアレイパルス波及び第２サブアレイパルス波）の送信ビームパターンを例えば図５に示されているように、探知対象に合わせて適切に設定することができる。その結果、虚像を抑制することができるなど探知性能を向上させることができる。

（６）
上記実施形態では、表２に示されているように、送信機２０は、超音波振動子３１₁〜３１₄（第１送信素子、第２送信素子、第３送信素子及び第４送信素子）に対するそれぞれの重み付けを変えることにより、サブアレイＳｕａ₁₁の順方向のパルス波（第１サブアレイパルス波）及びサブアレイＳｕａ₁₂の順方向のパルス波（第２サブアレイパルス波）と振幅特性が同じで位相特性が方位によって異なるサブアレイＳｕａ₁₁の逆方向のパルス波（第３サブアレイパルス波）及びサブアレイＳｕａ₁₂の逆方向のパルス波（第４サブアレイパルス波）を送信用トランスデューサ３０Ｃに送波させる。

このように、第１サブアレイパルス波及び第２サブアレイパルス波に、第３サブアレイパルス波及び第４サブアレイパルス波を加えることができ、サブアレイパルス波の種類を増やすことができるので、より多くの種類のサブアレイパルス波で合成パルス波を構成することで相関性をさらに抑制することができる。

（７）
上記実施形態では、例えば超音波振動子３１₁（第１送信素子）と超音波振動子３１₂（第２送信素子）とは、互いにキャリア周波数の２分の１波長λ／２隔てて配置されている。図２に示されているように、超音波振動子３１₁（第１送信素子）より送波されるパルス波Ｐ１（第１パルス波）に対して、超音波振動子３１₂（第２送信素子）よりパルス波Ｐ２（第２パルス波）が遅延して送波される。このとき、パルス波Ｐ１とパルス波Ｐ２の周波数とパルス長が同じになるように構成されている。このように構成すると、超音波振動子３１₁（第１送信素子）と超音波振動子３１₂（第２送信素子）とに対して同一の送信信号を送信機２０が遅延させて与えるという簡単な構成で探知装置１０を実現することができる。それにより、探知装置１０の構成が簡単になり、探知装置１０を安価に提供することができる。

（８）
上記実施形態の到来方向推定装置７０は、超音波振動子４１₁〜４１_K（複数の受信素子）を含む受信用トランスデューサ４０（受信素子アレイ）をＮ個のサブアレイＳｕｂ₁〜Ｓｕｂ_n（複数の受信サブアレイ）に分割し、サブアレイＳｕｂ₁〜Ｓｕｂ_nを用いて空間平均を行っている。

この空間平均による相関性の抑制効果が、上記（１）で説明した少なくとも２つの超音波振動子３１₁，３１₂（第１送信素子及び第２送信素子）から送波される第１パルス波と第２パルス波の合成パルス波を用いることによる相関性の抑制効果と合わさって、さらに相関性を抑制することができる。

＜変形例＞
（１）
上記実施形態では、海中において超音波を用いる水中探知装置について説明したが、媒質の振動を利用する探知装置は、上記実施形態のような水中探知装置には限られない。例えば、地震波のように地中を伝わる振動（横波）を用いる場合についても適用できる。また、振動を伝える媒質は、金属や人体の組織など水以外のものであってもよい。

（２）
上記実施形態では、アダプティブビームフォーミング法の例にＣａｐｏｎ法を挙げて説明したが、本発明の適用できるアダプティブビームフォーミング法は、Ｃａｐｏｎ法に限られるものではなく、線形予測法やＭＵＳＩＣ法など到来方向を推定する他のアダプティブビームフォーミング法にも適用することができる。

（３）
上記実施形態では、直線状に配置されている超音波リニアアレイを用いたが、３つ以上の超音波振動子３１（送信素子アレイ）や３つ以上の超音波振動子４１（受信素子アレイ）の配列は直線には限られず、例えば面状など他の形状に配置されてもよい。また、３つ以上の超音波振動子３１，４１の間隔は等間隔に限られず、またその間隔も波長の２分の１に限られるものではなく、上記以外の間隔や不等間隔に超音波振動子３１，４１が配置されているものにも本発明を適用することができる。

（４）
上記実施形態では、到来方向推定装置において減衰行列加算部７３が対角行列を生成して空間平均相関行列Ｒ_avに加算する場合について説明したが、この減衰行列加算部７３を省くこともできる。

（５）
上記実施形態では、送信される合成パルス波を方位毎に段階的に変化させる場合について説明したが、図１２に示されているように、各超音波振動子３１₁〜３１₃から送波されるパルス波Ｐ１１，Ｐ１２，Ｐ１３にＡＭ変調を掛けて合成パルス波を各方位によって無段階に変化させるようにしてもよい。例えば、一つの超音波振動子３１₁のパルス波Ｐ１１の終わりの部分の振幅を徐々に小さくし、超音波振動子３１₁のパルス波Ｐ１１の振幅が小さくなり始めるところから超音波振動子３１₂のパルス波Ｐ１２の振幅を徐々に大きくするように構成することもできる。

（６）
上記実施形態では、送信用トランスデューサ３０と受信用トランスデューサ４０を用いる場合について説明したが、図１４に示されているように送受切換器３５を用いて一つのトランスデューサ３０Ａを超音波の送信と受信の両方に兼用してもよい。この場合、トランスデューサ３０Ａが送信素子アレイであと同時に受信素子アレイでもある。

（７）
上記実施形態では、送信機２０の送信信号発生部２１や受信機５０の到来方向推定装置７０の機能ブロックが、記憶装置（ＲＯＭ、ＲＡＭ、ハードディスク等）に格納された上述した処理手順を実行可能なプログラムデータが、ＣＰＵによって解釈実行されることで実現される場合について説明した。このプログラムデータは、記録媒体を介して記憶装置内に導入されてもよいし、記録媒体上から直接実行されてもよい。なお、記録媒体は、ＲＯＭやＲＡＭやフラッシュメモリ等の半導体メモリ、フレキシブルディスクやハードディスク等の磁気ディスクメモリ、ＣＤ−ＲＯＭやＤＶＤやＢＤ等の光ディスクメモリ、及びメモリカード等をいう。また、記録媒体は、電話回線や搬送路等の通信媒体も含む概念である。

また、上記実施形態の送信信号発生部２１や到来方向推定装置７０を構成する全て又は一部の機能ブロックは、典型的には集積回路であるＬＳＩ（集積度の違いにより、ＩＣ、システムＬＳＩ、スーパーＬＳＩ、又はウルトラＬＳＩ等と称される）として実現される。これらは、個別に１チップ化されてもよいし、一部又は全部を含むように１チップ化されてもよい。また、集積回路化の手法は、ＬＳＩに限るものではなく、専用回路又は汎用プロセッサで実現してもよい。また、ＬＳＩ製造後にプログラムすることが可能なＦＰＧＡ(Field Programmable Gate Array)や、ＬＳＩ内部の回路セルの接続や設定を再構成可能なリコンフィギュラブル・プロセッサを利用してもよい。

１０ 水中探知装置
２０ 送信装置
３０，３０Ａ，３０Ｂ，３０Ｃ 送信用トランスデューサ
４０ 受信用トランスデューサ
５０ 受信機
６０ 操作・表示装置
７０ 到来方向推定装置

Claims (12)

1. 互いに隔てて配置されている第1送信素子及び第２送信素子を含む送信素子アレイと、
   前記第１送信素子より送波される第１パルス波に対して前記第２送信素子より送波される第２パルス波を遅延させて前記第１パルス波に続いて前記第２パルス波が送波されるように前記送信素子アレイに送信信号を出力する送信機と、
   前記第１パルス波により生じる第１反射波と前記第２パルス波により生じる第２反射波とを受波できるように配置されている複数の受信素子からなる受信素子アレイと、
   前記受信素子アレイで続けて受波される前記第１反射波と前記第２反射波とを含む合成反射波から得られる合成エコー信号にアダプティブビームフォーミング法を適用して到来波に関する演算を行う到来方向推定装置を有する受信機と
   を備える、探知装置。
2. 前記送信機は、前記第１パルス波及び前記第２パルス波を含む合成パルス波がファンビームとなるように前記送信素子アレイに送信信号を出力する、
   請求項１に記載の探知装置。
3. 前記送信素子アレイは、第３送信素子及び第４送信素子をさらに含み、前記第１送信素子及び前記第３送信素子を含む第１送信サブアレイの音響中心と前記第２送信素子及び前記第４送信素子を含む第２送信サブアレイの音響中心とが相互に隔てて配置されるように構成され、
   前記送信機は、前記第１パルス波及び前記第３送信素子より送波される第３パルス波に対して前記第２パルス波及び前記第４送信素子より送波される前記第４パルス波を遅延させて、前記第１送信サブアレイから送波される第１サブアレイパルス波に続いて前記第２送信サブアレイから送波される第２サブアレイパルス波が送波されるように前記送信素子アレイに送信信号を出力し、
   前記受信素子アレイは、複数の前記受信素子が前記第１サブアレイパルス波により生じる第１サブアレイ反射波と前記第２サブアレイパルス波により生じる第２サブアレイ反射波を受信できるように配置され、
   前記到来方向推定装置は、前記受信素子アレイで続けて受波される前記第１サブアレイ反射波と前記第２サブアレイ反射波とを含む合成反射波から得られる合成エコー信号にアダプティブビームフォーミング法を適用して到来波に関する演算を行う、
   請求項１又は請求項２に記載の探知装置。
4. 前記送信機は、前記第１サブアレイパルス波及び前記第２サブアレイパルス波を含む合成パルス波がファンビームとなるように前記送信素子アレイに送信信号を出力する、
   請求項３に記載の探知装置。
5. 前記送信機は、前記第１送信素子、前記第２送信素子、前記第３送信素子及び前記第４送信素子に重み付けが行われるように送信信号を前記送信素子アレイに出力し、前記第１サブアレイパルス波及び前記第２サブアレイパルス波を前記送信素子アレイに送波させる、
   請求項３又は請求項４に記載の探知装置。
6. 前記送信機は、前記第１送信素子乃至前記第４送信素子に対するそれぞれの重み付けを変えることにより、前記第１サブアレイパルス波及び前記第２サブアレイパルス波と振幅特性が同じで位相特性が方位によって異なる第３サブアレイパルス波及び第４サブアレイパルス波を前記送信素子アレイに送波させる、
   請求項５に記載の探知装置。
7. 前記送信機は、前記第１送信素子から送信される前記第１パルス波と前記第２送信素子から送信される前記第２パルス波の周波数が同じになるように前記送信素子アレイに送信信号を出力する、
   請求項１から６のいずれか一項に記載の探知装置。
8. 前記送信機は、前記第１送信素子から送信される前記第１パルス波と前記第２送信素子から送信される前記第２パルス波のパルス長が同じになるように前記送信素子アレイに送信信号を出力する、
   請求項１から７のいずれか一項に記載の探知装置。
9. 前記到来方向推定装置は、複数の前記受信素子を含む受信素子アレイを複数の受信サブアレイに分割し、複数の前記受信サブアレイを用いて空間平均を行う、
   請求項１から８のいずれか一項に記載の探知装置。
10. 前記第１送信素子、前記第２送信素子及び複数の前記受信素子は、それぞれ超音波振動子であり、
    前記到来方向推定装置は、アダプティブビームフォーミング法を適用して水中を伝播する到来波に関する演算を行う、
    請求項１から９のいずれか一項に記載の探知装置。
11. 第１送信素子より第１パルス波を送波するとともに、前記第１送信素子から隔てて配置されている第２送信素子より前記第１パルス波に対して遅延した第２パルス波が前記第１パルス波に続いて送波されるパルス波送波ステップと、
    前記第１パルス波により生じる第１反射波と前記第２パルス波により生じる第２反射波とを複数の受信素子からなる受信素子アレイで受波する反射波受波ステップと、
    前記受信素子アレイで続けて受波される前記第１反射波と前記第２反射波とを含む合成反射波から得られる合成エコー信号にアダプティブビームフォーミング法を適用して到来波に関する演算を行う到来方向推定ステップと
    を備える、探知方法。
12. 第１送信素子より第１パルス波を送波させるとともに、前記第１送信素子から隔てて配置されている第２送信素子より前記第１パルス波に対して遅延した第２パルス波を前記第１パルス波に続いて送波させるパルス波送波機能と、
    前記第１パルス波により生じる第１反射波と前記第２パルス波により生じる第２反射波とに対応する合成エコー信号を複数の受信素子からなる受信素子アレイから受信するエコー信号受信機能と、
    前記受信素子アレイで続けて受波される前記第１反射波と前記第２反射波とを含む合成反射波から得られる合成エコー信号にアダプティブビームフォーミング法を適用して到来波に関する演算を行う到来方向推定機能と
    をコンピュータに実現させるための探知プログラム。

Images