JP2015222226A - ソーナーシステムとソーナー用送信装置と受信装置及び目標物特定法並びにプログラム - Google Patents

Abstract

【課題】目標の正確な方位と目標のドップラーから算出される目標位置及び速度を取得可能とするソーナーシステムの提供。【解決手段】ソーナーシステムは 複数の送波素子のアレイからなる送信用ラインアレイと、前記送信用ラインアレイと直交して配置され、複数の受波素子のアレイからなる受信用ラインアレイと、前記送信用ラインアレイから正方向に変化する周波数と負方向に変化する周波数を、目標に向けて送信信号として送信し、前記受信用ラインアレイから受信した信号に対して、正方向に変化する周波数と負方向に変化する周波数に基づき、目標を特定して表示出力する。【選択図】図１３

Description

本発明は、ソーナーシステムと、ソーナー用の送信装置、受信装置及び目標物特定法とプログラムに関する。

ソーナーシステムの関連技術として、例えば特許文献１には、送信アレイと受信アレイを直交させ配置した送波器と受波器を使用するクロスファンビーム方式の水中画像ソーナーが開示されている。クロスファンビーム方式では、送信周波数と送信方位を変化させながら送信ファンビームを送信し、送信ファンビームと直交した複数の受信ファンビームで受信された信号を周波数分析することによって、目標からのエコー信号の位置局限を行うことを可能としている。なお、クロスファンビーム方式の関連技術として、特許文献３−４等も参照される。

特開平８−５７２８号公報 特開２０１２−１６８１２２号公報 特開２０１０−２８６２６９号公報 特開２０１０−１５１７２０号公報

以下に関連技術の分析を与える。

上記特許文献１に開示された水中画像ソーナーは、目標物の方位検出に対して単純な周波数分割方式であるために、移動目標からのドップラーが付与したエコーにより送信ファンビームの分離が出来なくなり、目標の位置局限にずれが生じる。

したがって、本発明は、上記問題点に鑑みて創案されたものであって、その目的は、目標の正確な方位と目標のドップラーから算出される目標位置及び速度を取得可能とするシステム、装置、方法及びプログラムを提供することにある。

本発明の一つの側面によれば、複数の送波素子のアレイからなる送信用ラインアレイと、前記送信用ラインアレイと直交して配置され、複数の受波素子のアレイからなる受信用ラインアレイと、前記送信用ラインアレイから正方向に変化する周波数と負方向に変化する周波数を目標に向けて送信信号として送信する第１の手段と、前記受信用ラインアレイから受信した信号に対して、正方向に変化する周波数と負方向に変化する周波数に基づき、目標を特定して表示出力する第２の手段と、を備えたソーナーシステムが提供される。

本発明の別の側面によれば、複数の送波素子のアレイからなる送信用ラインアレイから正方向に変化する周波数と負方向に変化する周波数を目標に向けて送信信号として送信する手段を備えたソーナー用送信装置が提供される。

本発明の別の側面によれば、複数の受波素子のアレイからなる受信用ラインアレイから受信した信号に対して、正方向に変化する周波数と、負方向に変化する周波数に基づき、目標を特定する手段を備えたソーナー用受信装置が提供される。

本発明のさらに別の側面によれば、複数の送波素子のアレイからなる送信用ラインアレイから正方向に変化する周波数と負方向に変化する周波数を目標に向けて送信信号として送信し、
前記送信用ラインアレイに直交して配置され、複数の受波素子のアレイからなる受信用ラインアレイから受信した信号に対して、正方向に変化する周波数と、負方向に変化する周波数に基づき、目標を特定して表示出力する方法が提供される。

本発明のさらに別の側面によれば、複数の受波素子のアレイからなる受信用ラインアレイから受信した信号に対して、正方向に変化する周波数と、負方向に変化する周波数に基づき、目標を特定する処理をコンピュータに実行させるプログラムが提供される。本発明によれば、該プログラムを記録したコンピュータ読み出し可能な記録媒体が提供される。

本発明によれば、目標の正確な方位と目標のドップラーから算出される目標位置及び速度を取得可能とする装置、システム、方法、プログラムが提供される。

本発明の実施形態１の構成の一例を説明する図である。 本発明の実施形態１におけるビーム形状を模式的に説明する図である。 本発明の実施形態１の送信側の装置構成の一例を例示する図である。 本発明の実施形態１における送信信号の周波数と送信方位の変化を説明する図である。 本発明の実施形態１の受信側の装置構成の一例を例示する図である。 本発明の実施形態１における受信クロスファンビームにおける周波数分析を例示する図である。 本発明の実施形態１における目標物特定処理での目標位置及び目標方位算出を例示する図である。 本発明の実施形態１における目標物特定処理での閾値処理を説明する図である。 本発明の実施形態１における画像表示の一例を例示する図である。 本発明の実施形態２の構成の一例を説明する図である。 本発明の実施形態２における送信信号の周波数と送信方位の変化を説明する図である。 本発明の実施形態２における受信側の装置構成の一例を例示する図である。 本発明の基本構成を模式的に例示する図である。

以下では、はじめに本発明の基本概念を説明し、続いて実施形態について図面を参照し説明する。本発明の一形態に係るソーナーシステムは、図１３を参照すると、音響信号の送信を行う複数の送波素子のアレイからなる送信用ラインアレイ２０１と、前記送信用ラインアレイ２０１と直交して配置され音響信号の受信を行う複数の受波素子のアレイからなる受信用ラインアレイ２０２と、前記送信用ラインアレイ２０１から正方向に変化する周波数と負方向に変化する周波数を目標に向けて送信信号として送信する第１の手段（送信装置）２０３と、前記受信用ラインアレイから受信した信号に対して、正方向に変化する周波数と負方向に変化する周波数に基づき、目標を特定して表示出力する第２の手段（受信装置）２０４と、を備えている。

本発明の一形態において、前記送信用ラインアレイ２０１が、並置された第１、第２の送信用ラインアレイを備え、前記第１の手段２０３が、正方向に変化する周波数の第１の送信信号と、負方向に変化する周波数の第２の送信信号を、それぞれ前記第１及び第２の送信用ラインアレイから送信する構成としてもよい。

本発明の一形態において、前記第１の手段２０３が、前記送信用ラインアレイ２０１から、正方向と負方向のいずれか一方に変化する周波数の第１の送信信号と、前記第１の送信信号と逆方向に変化する周波数の第２の送信信号を、時間的に前後して送信し、前記第２の手段２０４は、前記受信用ラインアレイ２０２から受信した信号に対して、前記第１の送信信号に対応する受信信号を遅延させ、前記第２の送信信号に対応する受信信号のタイミングに合わせる構成としてもよい。

本発明の一形態において、前記第１の送信信号と第２の送信信号の送信方位の変化が同一とした構成としてもよい。

本発明の一形態において、目標へファンビームを送信するための送信用ラインアレイ２０１と、目標からのエコーを受信するファンビームを生成する受信用ラインアレイ２０２を有し、送信用ラインアレイ２０１と受信用ラインアレイ２０２は９０度回転された状態で設置されるため、送信ファンビームと受信ファンビームは直交する。

本発明の一形態において、第１の手段（送信装置）２０３からは、例えば、送信周波数と送信方位を同時に変化させながら複数の送信信号が出力され、それらの複数の送信信号は異なる送信周波数帯域を用いた信号であり、送信周波数の変化率と送信方位の変化率の関係はそれぞれの送信信号で異なるが送信方位の範囲は重複する。

本発明の一形態において、第２の手段（受信装置）２０４では、受信用ラインアレイ２０２で受信した信号に対して、
・指向性合成処理による受信ファンビームの生成、及び、
・周波数帯域を分割し、複数送信した送信信号の全ての周波数帯域に対して周波数分析処理を行う受信信号処理
を行い、受信ファンビームごとに、受信信号の周波数分析結果を算出する。そして、算出された受信ファンビームごとの受信信号の周波数分析結果に対して、送信信号に対応した複数の周波数帯域ごとに周波数分析結果と送信時の送信方位を比較し、周波数分析結果を方位情報と関連付ける目標物特定処理を行うようにしてもよい。

本発明の一形態において、第２の手段（受信装置）２０４では、送信信号ごとに方位情報と関連付けられた複数の周波数分析結果を比較し、同一目標からのエコーを検出し、検出されたエコー信号の持つ送信信号ごとの方位情報の差分から目標のドップラー変位、及び目標の方位を算出する目標物特定処理を行う。

本発明の一形態において、第２の手段（受信装置）２０４では、前記目標物特定処理により算出された目標エコーごとの方位、及び送信から目標エコー受信までの時間の情報、及び受信ファンビームのビーム方向から、目標の３次元的な位置を算出し、さらに前記の目標物特定処理により算出された目標のドップラー変位より目標の相対速度の情報を算出する目標物特定処理を行う。

本発明の一形態において、第２の手段（受信装置）２０４では、特に制限されないが、前記の目標物特定処理により算出された３次元的な目標情報と目標の相対速度の情報から目的とする条件に該当する条件に合った目標のみの３次元的な位置の表示、又は目的とする複数の条件に合った複数の目標を、例えば、表示色を変化させ３次元的に画面表示する構成としてもよい。以下、図面を参照していくつかの実施形態について説明する。

＜実施形態１＞ 本発明の実施形態１について以下に説明する。

＜ラインアレイの配置＞ 図１は、本発明の実施形態１の構成を説明するため図である。図１には、実施形態１のソーナーシステムにおけるラインアレイの配置が模式的に例示されている。図１を参照すると、一例に配置された複数の送波素子１_１〜１_ｎからなる第１の送信用ラインアレイ１１と、一例に配置された複数の送波素子２_１〜２_ｎからなる第２の送信用ラインアレイ１２が垂直方向（縦方向）に並行に配置されている。一例に配置された複数の受波素子３_１〜３_ｍからなる受信用ラインアレイ１３は、第１、第２の送信用ラインアレイ１１、１２に対してアレイの軸が９０度に交差するように水平（横方向）に配置されている。なお、送信用ラインアレイの送波素子の個数ｎと受信用ラインアレイの受波素子の個数ｍは同一値であってもよいし、異なる値であってもよい。

＜ビーム形状＞ 図２は、図１に示した実施形態１におけるビーム形状の概要を模式的に示す図である。図２（Ａ）において、参照符号２０は送信用ラインアレイを表している。この送信用ラインアレイ２０は、図１の第１、第２の送信用ラインアレイ１１、１２と同様の送信用ラインアレイに対応している。また、図２（Ａ）において、参照符号２１、２２は、送信用ラインアレイ２０から送信される水平方向に広い指向性を持ち、垂直方向に狭い指向性を待つ送信ファンビームを示している。

図２（Ａ）に示すように、送信用ラインアレイ２０の正面方向の軸２７（送信用ラインアレイ２０の平面の法線ベクトル）と、送信用ラインアレイ２０の平面内の垂直軸２５が張る面に関して、軸２７に対して時計回りに角度θＬとなるビームを参照符号２１で示しており、反時計回りにθＨとなるビームを参照符号２２で示している。送信時には、破線矢印で示すように、ビーム２１からビーム２２へ徐々に送信方位が変化していく。

図２（Ｂ）において、参照符号２３は受信用ラインアレイを表している。受信用ラインアレイ２３は、図１の受信用ラインアレイ１３と同様の受信用ラインアレイに対応している。参照符号２４は、受信用ラインアレイで生成される垂直方向に広い指向性を持ち、水平方向に狭い指向性を待つ受信ファンビームである。図２（Ｂ）に示すように、受信ファンビーム２４として、受信信号に対する信号処理において水平方向に複数のビームが同時に生成される。

＜送信装置＞ 図３は、実施形態１における送信装置の構成の一例を例示する図である。図３を参照すると、送信制御手段（送信制御部）３０を備え、第１の送信用ラインアレイ３４に対して、送信信号生成手段（送信信号生成部）３１、位相制御手段（位相制御部）３２、送信増幅手段（送信用アンプ)３３を備え、第２の送信用ラインアレイ３８に対して、送信信号生成手段（送信信号生成部）３５、位相制御手段（位相制御部）３６送信増幅手段（送信用アンプ)３７を備えている。なお、各手段は、少なくとも一部の処理をコンピュータでのプログラム実行によるソフトウェア処理で実装してもよい。あるいは、ハードウェア回路で実装してもよいし、ハードウェア回路とソフトウェアの組み合わせで実装してもよい。

送信制御手段３０は、第１、第２の送信信号生成手段３１、３５、位相制御手段３２、３６の制御を行う。なお、第１、第２の送信用ラインアレイ３４、３８は、図１の送信用ラインアレイ１１、１２にそれぞれ対応する。送波素子３４_１〜３４_ｎ、３８_１〜３８_ｎは、図１の１_１〜１_ｎ、２_１〜２_ｎに対応している。

送信信号生成手段３１、３５は、それぞれ、第１、第２の送信用ラインアレイ３４、３８から送信する送信信号を生成する。

位相制御手段３２、３６は、送信信号生成手段３１、３５がそれぞれ生成した信号に対して、送信チャンネルごとに位相制御を行う。すなわち位相制御手段３２は、第１の送信用ラインアレイ３４の複数の送波素子３４_１〜３４_ｎに対応して複数の位相制御手段３２_１〜３２_ｎを備えている。位相制御手段３６は、第２の送信用ラインアレイ３８の複数の送波素子３８_１〜３８_ｎに対応して複数の位相制御手段３６_１〜３６_ｎを備えている。

送信増幅手段（送信用アンプ)３３、３７は、それぞれ、位相制御手段３２、３６からの送信チャンネルごとの送信信号を増幅し、第１、第２の送信用ラインアレイ３４、３８の送波素子に供給する。すなわち送信増幅手段３３は、第１の送信用ラインアレイ３４の複数の送波素子３４_１〜３４_ｎに対応して複数の送信用アンプ３３_１〜３３_ｎを備えている。送信増幅手段３７は、第２の送信用ラインアレイ３８の複数の送波素子３８_１〜３８_ｎに対応して複数の送信用アンプ３７_１〜３７_ｎを備えている。第１の送信用ラインアレイ３４から、図２（Ａ）に示す送信ファンビームが出力される。

＜送信信号の周波数と送信方位＞ 図４は、本発明の実施形態１における送信信号の周波数の時間変化（図４（Ａ）：横軸：時間、縦軸：周波数）と、送信方位の時間変化（図４（Ｂ）：横軸：時間、縦軸：送信方位）を表した図である。

図４（Ａ）、（Ｂ）において、ＴｘＳｉｇ１は、第１の送信用ラインアレイ（図３の３４）から送信される送信信号の周波数と送信方位を表しており、ＴｘＳｉｇ２は、第２の送信用ラインアレイ（図３の３８）から送信される送信信号の周波数と送信方位を表している。第１、第２の送信用ラインアレイからの送信は同時に行われる。図４（Ａ）、（Ｂ）において時間軸（横軸）は互いに同一である。

図４（Ａ）において、ｆ１ｓ、ｆ１ｅ、ｆ２ｓ、ｆ２ｅはそれぞれ周波数である。

図４（Ａ）、（Ｂ）において、ｔｓ、ｔｅは時間である。

図４（Ｂ）において、θＬ、θＨは送信方位であり、それぞれ、図２のθＬ、θＨに対応している。

図４（Ａ）を参照すると、ＴｘＳｉｇ１は、時間ｔｓからｔｅに変化するにつれて、周波数がｆ１ｓからｆ１ｅまでリニア（線形、直線的）に下降する周波数変調（周波数は負方向に変化）が施されている。また、図４（Ｂ）を参照すると、ＴｘＳｉｇ１の送信方位は、θＬからθＨまでリニアに変化する位相制御が行われる（図２（Ａ）の破線矢印に対応）。

一方、ＴｘＳｉｇ２は、図４（Ａ）を参照すると、時間ｔｓからｔｅに変化するにつれて、周波数がｆ２ｓからｆ２ｅまでリニアに上昇する周波数変調（周波数は正方向に変化）が施されている。ＴｘＳｉｇ２の送信方位は、図４（Ｂ）を参照すると、θＬからθＨまでリニアに変化する位相制御が行われる。

ＴｘＳｉｇ１とＴｘＳｉｇ２の周波数変調の変化率（時間変化率）の極性は、それぞれ負、正値とされており、互いに異なるが、送信方位の変化は同一である。

＜受信側の装置構成例＞ 図５は、本発明の実施形態１の受信側の装置構成の一例を例示する図である。図５には、受信信号処理及び目標物特定処理を行う全体の構成が例示されている。図５を参照すると、受信用ラインアレイ５０と、受信増幅手段（受信用アンプ）５１と、フィルタ／周波数変換手段（フィルタ／周波数変換部）５２と、周波数分析手段（周波数分析部）５３と、指向性合成手段（指向性合成部）５４と、目標物特定手段（目標物特定部）５７と、表示装置５８と、を備えている。目標物特定手段５７は、ドップラー・方位算出手段（ドップラー・方位部）５５、閾値・画像化手段（閾値・画像化部）５６を備えている。なお、各手段は、少なくとも一部の処理をコンピュータでのプログラム実行によるソフトウェア処理で実装してもよい。あるいは、ハードウェア回路で実装してもよいし、ハードウェア回路とソフトウェアの組み合わせで実装してもよい。

図５において、受信用ラインアレイ５０は、図１の受信用ラインアレイ１３に対応している。受波素子５０_１〜５０_ｍは、図１の３_１〜３_ｍに対応している。

受信増幅手段（受信用アンプ）５１（５１_１〜５１_ｍ）は、受信用ラインアレイ５０の受波素子５０_１〜５０_ｎで受信した信号をそれぞれ増幅する。

フィルタ／周波数変換手段５２（５２_１〜５２_ｍ）は、受信増幅手段（受信用アンプ）５１（５１_１〜５１_ｍ）の出力から、必要な周波数帯域を取り出す。フィルタ／周波数変換手段５２で取り出す周波数帯域は、図４のＴｘＳｉｇ１とＴｘＳｉｇ２で使用する周波数帯域をすべて含み、さらに目標とするドップラー周波数分を拡張した周波数帯域とする。

周波数分析手段（ＦＦＴ演算手段）５３は、ＦＦＴ演算手段（ＦＦＴ演算部）５３_１〜５３_ｍを備え、フィルタ／周波数変換手段５２（５２_１〜５２_ｍ）で取り出した周波数帯域の信号（に対してそれぞれＦＦＴ演算を施して周波数分析を行う。

指向性合成手段５４は、チャンネルごと（受信用ラインアレイ５０の受波素子５０_１〜５０_ｍごと）の周波数分析結果（ＦＦＴ演算手段５３_１〜５３_ｍの出力）に対して、指向性合成処理を行い、図２（Ｂ）に示した複数の受信ファンビーム２４を生成する。

ドップラー・方位算出手段５５は、指向性合成手段５４で生成された複数の受信ファンビーム２４の受信ファンビームごとの周波数分析結果に対して、第１の送信用ラインアレイ（図３の３４）と第２の送信用ラインアレイ（図３の３８）が送信したそれぞれの送信信号によるエコーの比較を行い、目標のドップラーと実際の方位を算出する処理を行う。

閾値・画像化手段５６では、ドップラー・方位算出手段５５で算出された目標情報に対して表示条件と比較する閾値処理を実行し、閾値処理の結果、表示条件を満たした画素から、表示用データを生成する画像化処理を実行して表示装置５８に表示する。

＜周波数分析結果＞ 図６は、図５のドップラー・方位算出手段５５で一つの受信クロスファンビームにおける周波数分析結果を例示する図である。図６（Ａ）は、周波数分析結果の時間変化を示しており（横軸：時間、縦軸：周波数）、ｆ１ｓ、ｆ１ｅ、ｆ２ｓ、ｆ２ｅは周波数であり、それぞれ図４の対応する符号と同一である。

図６（Ｂ）と図６（Ｃ）は、方位の時間変化を示しており（横軸：時間、縦軸：方位）、θＬ、θＨは送信方位であり、それぞれ図４のθＬ、θＨと同一である（図６（Ｃ）では縦軸の大小の位置関係が図６（Ｂ）とは逆向きである）。

図６（Ａ）乃至（Ｃ）において、ｔｓ’、ｔｅ’は時間であり、ｔｓ’とｔｅ’の間隔（ｔｅ’−ｔｓ’）は、図４のｔｓとｔｅの間隔（ｔｅ−ｔｓ）と同一である。ｔｓ’とｔｓの差は、送信信号を送信してから目標からのエコーを受信するまでの時間差を表す。

図６（Ａ）乃至（Ｃ）において、ＥＳｉｇ１ａ、ＥＳｉｇ２ａは、いずれも、目標ａからのエコー信号を表している。ＥＳｉｇ１ａは、第１の送信用ラインアレイ（図１の１１、図３の３４）から送信されたＴｘＳｉｇ１によるエコーを表しており、ＥＳｉｇ２ａは、第２の送信用ラインアレイ（図１の１２、図３の３８）から送信されたＴｘＳｉｇ２によるエコーを表している。

ＥＳｉｇ１ｂ、ＥＳｉｇ２ｂは、同様に、ＴｘＳｉｇ１、ＴｘＳｉｇ２による目標ｂからのエコー信号を示している。また、ＥＳｉｇ１ｃ、ＥＳｉｇ２ｃは、ＴｘＳｉｇ１、ＴｘＳｉｇ２による目標ｃからのエコー信号を表している。ここで、目標ａはドップラーが無く、目標ｂはプラス側に、目標ｃはマイナス側にドップラーが付与されている。

図６（Ａ）におけるＴｘＳｉｇ１ｆ’及びＴｘＳｉｇ２ｆ’は、時間ｔｓ’から送信を始めた場合の、送信信号の周波数の時間変化（ＴｘＳｉｇ１ｆ’はｆ１ｓからｆ１ｅへ負方向に変化、ＴｘＳｉｇ２ｆ’はｆ２ｓからｆ２ｅへ正方向に変化）である。

図６（Ｂ）と図６（Ｃ）におけるＴｘＳｉｇθ’は、同様に、時間ｔｓ’から送信を始めたとした場合の送信信号の方位（送信方位）の時間変化を表している。図６（Ｂ）と図６（Ｃ）のＴｘＳｉｇθ’の値は同一であるが、グラフの縦軸である方位正負が逆向きとなっているため、図６（Ｃ）では、その傾きが図６（Ｂ）と逆となっている。

図６（Ａ）を参照すると、ドップラーが付与していない目標ａからのエコーであるＥＳｉｇ１ａ、ＥＳｉｇ２ａについては、送信波形であるＴｘＳｉｇ１ｆ’及びＴｘＳｉｇ２ｆ’からの周波数ずれはない。

一方、プラスのドップラーが付与する（ドップラー効果で周波数が高くなる）目標ｂからのエコーであるＥＳｉｇ１ｂ、ＥＳｉｇ２ｂは、送信波形であるＴｘＳｉｇ１ｆ’及びＴｘＳｉｇ２ｆ’から、プラス側に同一の周波数ずれが生じる（図６（Ａ）のＴｘＳｉｇ１ｆ’及びＴｘＳｉｇ２ｆ’からＥＳｉｇ１ｂ、ＥＳｉｇ２ｂへの上向き矢印参照）。また、マイナスのドップラーが付与する（ドップラー効果で周波数が低くなる）目標ｃからのエコーであるＥＳｉｇ１ｃ、ＥＳｉｇ２ｃは、同様に送信波形であるＴｘＳｉｇ１ｆ’及びＴｘＳｉｇ２ｆ’から、マイナス側に同一の周波数ずれが生じる（図６（Ａ）のＴｘＳｉｇ１ｆ’及びＴｘＳｉｇ２ｆ’からＥＳｉｇ１ｃ、ＥＳｉｇ２ｃへの下向き矢印参照）。

図６（Ｂ）は、ＴｘＳｉｇ１による受信信号の周波数分析結果に対して、第１の送信用ラインアレイ（図１の１１、図３の３４）から送信した送信信号に対応した周波数と方位の関係に従って変換したグラフである。図６（Ｃ）は、ＴｘＳｉｇ２による受信信号の周波数分析結果に対して第１の送信用ラインアレイ（図１の１１、図３の３４）から送信した送信信号に対応した周波数と方位の関係に従って変換したグラフである。

ＴｘＳｉｇ１とＴｘＳｉｇ２は、周波数変調の変化率（時間変化）の極性（正負）が異なるが、送信方位の変化率は同一であるため、図６（Ｂ）と図６（Ｃ）では、ＥＳｉｇ１ｂとＥＳｉｇ２ｂの方位がＴｘＳｉｇθ’に対して逆向きとなっており、ＥＳｉｇ１ｃとＥＳｉｇ２ｃの方位もＴｘＳｉｇθ’に対して逆向きとなっている。

＜目標位置と目標方位の算出例＞ 図７は、図５の目標物特性手段５７における目標位置と目標方位の算出を説明するための図である。図７（Ａ）は、図６（Ｂ）と、図６（Ｃ）を重ね合せた図である。重ね合わせにあたり、図６（Ｃ）の縦軸を逆向き（原点を下としてθＬがθＨの下側に位置する）に変換している。図７（Ａ）において、θＨ、θＬ、ｔｓ’、ｔｅ’、ＴｘＳｉｇθ’は、図６のθＨ、θＬ、ｔｓ’、ｔｅ’、ＴｘＳｉｇθ’にそれぞれ対応する。図７（Ａ）において、ＥＳｉｇａ、ＥＳｉｇｂ、ＥＳｉｇｃはそれぞれ目標ａ、ｂ、ｃからのエコーを表している。ＴｘＳｉｇ１によるエコーとＴｘＳｉｇ２によるエコーをグループ化している。すなわち、図７（Ａ）において、ＥＳｉｇａは、図６（Ｃ）のＥＳｉｇ１ａ、図６（Ｂ）のＥＳｉｇ２ａを１つのグループにまとめ、ＥＳｉｇｂは、図６（Ｃ）のＥＳｉｇ１ｂ、図６（Ｂ）のＥＳｉｇ２ｂを１つのグループにまとめ、ＥＳｉｇｃは、図６（Ｃ）のＥＳｉｇ１ｃ、図６（Ｂ）のＥＳｉｇ２ｃを１つのグループにまとめたものである。

図７（Ａ）において、ｔａ、ｔｂ、ｔｃはそれぞれＥＳｉｇａ、ＥＳｉｇｂ、ＥＳｉｇｃを受信した時間を示し、θａ、θｂ、θｃは、時刻ｔａ、ｔｂ、ｔｃでＴｘＳｉｇθ’がとる方位をそれぞれ表している。

図７（Ｂ）、（Ｃ）、（Ｄ）はそれぞれ図７（Ａ）の時刻ｔａ、ｔｂ、ｔｃにおける受信レベルと方位の関係を示したグラフ（横軸：受信レベル、縦軸：方位）である。

図７（Ｂ）において、θ１ａとθ２ａは、図６における目標ａからのエコーであるＥＳｉｇ１ａ、ＥＳｉｇ２ａの受信レベルがピークとなる方位を示している。ドップラーの付与していない目標ａからのエコーでは、θ１ａとθ２ａは同一となり、θａが真の目標の方位となる。

図７（Ｃ）において、θ１ｂとθ２ｂは、図６におけるプラスドップラーが付与する目標ｂからのエコーであるＥＳｉｇ１ｂ、ＥＳｉｇ２ｂの受信レベルがピークとなる方位を示している。プラス側にドップラーが付与している目標ｂからのエコーでは、θ１ｂ＜θ２ｂであり、θｂが真の目標の方位となる。θ１ｂとθ２ｂの差であるΔθｂを、周波数に換算した値から、目標のドップラーが算出される。

図７（Ｄ）において、θ１ｃとθ２ｃは、図６におけるマイナスドップラーが付与する目標ｃからのエコーであるＥＳｉｇ１ｃ、ＥＳｉｇ２ｃの受信レベルがピークとなる方位を示している。マイナス側にドップラーが付与している目標ｃからのエコーでは、θ１ｃ＞θ２ｃであり、θｃが真の目標の方位となり、θ１ｃとθ２ｃの差であるΔθｃを周波数に換算した値から目標のドップラーが算出される。ここで、ΔθｂとΔθｃについて、目標ｂと目標ｃでは付与するドップラーの正負が逆であるため、ΔθｂとΔθｃの符号も逆になる。

水平に配置された受信ファンビーム２４（図２参照）ごとに、上記の一連の方位算出処理を実行することにより、エコーの垂直方位と、水平方位が算出される。

さらに、送信信号の送信時点とエコーの受信時点の時間差からエコーまでの距離を算出することで、エコーの３次元的な位置を局限する。また、前述したドップラー算出の結果からエコーの速度を算出することが出来る。

＜表示閾値設定例＞ 図８は、図５の閾値・画像化手段５６において、閾値処理の概要を説明する図である。図８には、目標３次元的に局限され、速度が算出されたエコーに対する表示閾値の設定例である。図８において、画像化範囲１は受信レベルが高く、マイナスの速度を持つエコーである。画像化範囲２は、受信レベルが高く、速度がゼロに近いエコーである。画像化範囲３は、受信レベルが高く、プラスの速度を持つエコーである。また、非表示範囲は受信レベルが低いエコーである。

＜実施形態による表示の一例＞ 図９は、図５の閾値・画像化手段５６において、画像化処理の後に画像表示を行った例（表示画面）を模式的に例示する図である。図９に示すように、水平方位、垂直方位と時間の３次元的なエコー表示が行われる。図９において、画像化範囲１、画像化範囲２、画像化範囲３、は図８の同様の名称と対応しており、それぞれの画像化範囲ごとに表示色を変更したうえで、ボクセル（ｖｏｘｓｅｌ：体積の単位）を描画し、３次元表示としている。

＜実施形態１の作用効果＞ 以上説明したように、上記実施形態１によれば、受信用ラインアレイから受信した信号に対して、正方向に時間変化する周波数と、負方向に時間変化する周波数とに基づき、目標の正確な方位と目標のドップラーから算出される目標位置及び速度を取得することができる。

＜実施形態２＞ 次に、本発明の実施形態２を説明する。

＜ラインアレイの配置＞ 図１０は、本発明の実施形態２を説明する図であり、実施形態１の図１に対応している。図１０を参照すると、一例に配置された送波素子４_１〜４_ｎを備えた送信用ラインアレイ１４が垂直方向に配置されており、一例に配置された受波素子５_１〜５_ｍを備えた送受信用ラインアレイ１５が送信用ラインアレイ１４に対してアレイの軸が９０度に交差するよう水平に配置されている。送信用ラインアレイ１４により生成される送信ファンビームは、図２（Ａ）と同様になる。

＜送信装置＞ 実施形態２において、送信装置は、図３の送信制御手段（送信制御部）３０と、単一の送信用ラインアレイに対応して、送信信号生成手段（送信信号生成部）３１、位相制御手段（位相制御部）３２、送信増幅手段（送信用アンプ)３３を備えている。

＜送信信号＞ 図１１は、実施形態２における送信信号の周波数の時間変化（図１１（Ａ））と送信方位の時間変化（図１１（Ｂ））を表した図である。図１１において、ＴｘＳｉｇ１は、図１０の送信用ラインアレイ１４から送信される送信信号を表している。ＴｘＳｉｇ２は、図１０の送信用ラインアレイ１４から送信される送信信号を表している。ＴｘＳｉｇ１、ＴｘＳｉｇ２の送信は、単一の送信用ラインアレイ１４から個別に、例えば時間を置いて行われる。

図１１において、ｆ１ｓ、ｆ１ｅ、ｆ２ｓ、ｆ２ｅは、それぞれ図４のｆ１ｓ、ｆ１ｅ、ｆ２ｓ、ｆ２ｅ、θＬ、θＨと同様に周波数を示している。また図１１において、θＬ、θＨは、図４のθＬ、θＨと同様、送信方位を示している。

また、図１１において、ｔ１ｓ、ｔ１ｅ、ｔ２ｓ、ｔ２ｅは時間である。ｔ１ｓはＴｘＳｉｇ１の送信開始、ｔ１ｅはＴｘＳｉｇ１の送信終了、ｔ２ｓはＴｘＳｉｇ２の送信開始、ｔ２ｅはＴｘＳｉｇ２の送信終了の時間をそれぞれ示す。実施形態１では、ＴｘＳｉｇ１とＴｘＳｉｇ２の送信が同時に行われるが、実施形態２では、ＴｘＳｉｇ１の送信とＴｘＳｉｇ２の送信が順番（シーケンシャル）に行われる点が、実施形態１と相違している。実施形態２において、送信信号の周波数の変化、及び送信方位の変化については、実施形態１と同様である。

＜受信側の装置構成＞ 図１２は、実施形態２の受信側の装置構成を示す図である。図１２を参照すると、図５の実施形態１との相違点は、周波数分析手段１２３と、指向性合成手段１２５の間に、遅延処理手段１２４が挿入されている点である。これ以外は、図５の構成と同様である。

遅延処理手段１２４は、送信用ラインアレイ（図１４）から時間をずらして送信されたＴｘＳｉｇ１とＴｘＳｉｇ２の送信信号の時間差に対応する補正処理（遅延処理）を行う。具体的には、ＴｘＳｉｇ１付近の周波数帯域の受信信号に対して、図１１のｔ２ｓ−ｔ１ｓの送信時間差（ＴｘＳｉｇ１送信開始時点からＴｘＳｉｇ２送信開始時点までの送信時間差）を遅延させる（特に制限されないが、例えばＦＩＦＯ（First In First Out）等のバッファに書き込み時間ｔ２ｓ−ｔ１ｓ遅延させて読み出す）。遅延処理手段１２４で、ＴｘＳｉｇ１に対して送信時間差に対する補正が行われると、補正後のＴｘＳｉｇ１とＴｘＳｉｇ２は、図４のＴｘＳｉｇ１とＴｘＳｉｇ２のように同一時間に設定される。このため、遅延処理手段１２４以降の処理は、実施形態１と同一とされる。このため説明は省略する。

＜実施形態２の作用効果＞ 実施形態２によれば、送信用ラインアレイを１つとして正方向に時間変化する周波数と、負方向に時間変化する周波数を同時ではなく順次送信することで、送信側の装置構成の規模の縮減を図ることができる。また、実施形態１と同様、受信用ラインアレイから受信した信号に対して、正方向に時間変化する周波数と、負方向に時間変化する周波数とに基づき、目標の正確な方位と目標のドップラーから算出される目標位置及び速度を取得することができる。

なお、上記の特許文献の各開示を、本書に引用をもって繰り込むものとする。本発明の全開示（請求の範囲を含む）の枠内において、さらにその基本的技術思想に基づいて、実施形態ないし実施例の変更・調整が可能である。また、本発明の請求の範囲の枠内において種々の開示要素（各請求項の各要素、各実施例の各要素、各図面の各要素等を含む）の多様な組み合わせ乃至選択が可能である。すなわち、本発明は、請求の範囲を含む全開示、技術的思想にしたがって当業者であればなし得るであろう各種変形、修正を含むことは勿論である。

上記実施形態は、特に制限されないが、以下のように付記される。

（付記１）音響信号の送信を行う送信用ラインアレイと、その送信用ラインアレイと直交して配置された音響信号の受信を行う受信用ラインアレイと、送信信号の生成と受信信号の信号処理を行う送受信器と、表示装置を有するソーナーシステム。

（付記２）信用ラインアレイからの送信信号について、送信周波数と送信方位を同時に変化させながら送信を行い、その際、送信信号には複数の周波数帯域を用い、それぞれの送信信号について周波数変化と送信方位の変化率の関係が異なる制御をすることを特徴とするソーナー用送信装置。

（付記３）受信用ラインアレイからの受信信号に対する指向性合成処理による受信ファンビームの生成処理、及び周波数帯域を分離して送信した複数の送信信号からのエコーに対して一括して周波数分析処理を実施するソーナー用信号処理手法。

（付記４）複数の送信信号からのエコーに対して一括して周波数分析処理を行った結果から、それぞれの送信信号に対するエコーを算出し、同一目標からのエコーの周波数を比較することで目標の方位と目標との相対速度を算出するソーナー用目標物特定方法。

（付記５）３次元的な位置と相対速度を局限されたエコー情報に対して、表示条件として指定した速力を持つエコー情報を３次元的に表示するソーナー用目標物特定プログラム。

１_１〜１_ｎ、２_１〜２_ｎ、４_１〜４_ｎ、３４_１〜３４_ｎ、３８_１〜３８_ｎ 送波素子
３_１〜３_ｍ、５_１〜５_ｍ、５０_１〜５０_ｍ 受波素子
１１ 第１の送信用ラインアレイ
１２ 第２の送信用ラインアレイ
１３、１５ 受信用ラインアレイ
１４、２０ 送信用ラインアレイ
２１ 送信ファンビームＬ
２２ 送信ファンビームＨ
２３ 受信用ラインアレイ
２４ 受信ファンビーム
２５ 軸（垂直軸）
２６ 軸（水平軸）
２７ 軸（法線ベクトル）
３０ 送信制御手段
３１ 送信信号生成手段
３２、３２_１〜３２_ｎ 位相制御手段
３３、３３_１〜３３_ｎ 送信増幅手段（送信用アンプ）
３４ 第１の送信用ラインアレイ
３５ 送信信号生成手段
３６、３６_１〜３６_ｎ 位相制御手段
３７、３７_１〜３７_ｎ 送信増幅手段（送信用アンプ）
３８ 第２の送信用ラインアレイ
５０ 受信用ラインアレイ
５１、５１_１〜５１_ｍ 受信増幅手段（受信用アンプ）
５２、５２_１〜５２_ｍ フィルタ／周波数変換手段
５３、５３_１〜５３_ｍ 周波数分析手段（ＦＦＴ演算手段）
５４ 指向性合成手段
５５ ドップラー・方位算出手段
５６ 閾値・画像化手段
５７ 目標物特定手段
５８ 表示装置
１００ 送信用ラインアレイ
１０１ 受信用ラインアレイ
１２０ 受信用ラインアレイ
１２１、１２１_１〜１２１_ｍ 受信増幅手段（受信用アンプ）
１２２、１２２_１〜１２２_ｍ フィルタ／周波数変換手段
１２３、１２３_１〜１２３_ｍ 周波数分析手段（ＦＦＴ演算手段）
１２４、１２４_１〜１２４_ｍ 遅延処理手段
１２５ 指向性合成手段
１２６ ドップラー・方位算出手段
１２７ 閾値・画像化手段
１２８ 目標物特定手段
１２９ 表示装置
２０１ 送信用ラインアレイ
２０２ 受信用ラインアレイ
２０３ 第１の手段（送信装置）
２０４ 第２の手段（受信装置）

Claims (10)

1. 複数の送波素子のアレイからなる送信用ラインアレイと、
   前記送信用ラインアレイと直交して配置され、複数の受波素子のアレイからなる受信用ラインアレイと、
   前記送信用ラインアレイから正方向に変化する周波数と負方向に変化する周波数を、目標に向けて送信信号として送信する第１の手段と、
   前記受信用ラインアレイから受信した信号に対して、正方向に変化する周波数と負方向に変化する周波数に基づき、目標を特定して表示出力する第２の手段と、
   を備えた、ことを特徴とするソーナーシステム。
2. 前記送信用ラインアレイが、並置された第１、第２の送信用ラインアレイを備え、
   前記第１の手段が、正方向に変化する周波数の第１の送信信号と、負方向に変化する周波数の第２の送信信号をそれぞれ前記第１及び第２の送信用ラインアレイから送信する、ことを特徴とする請求項１記載のソーナーシステム。
3. 前記第１の手段が、前記送信用ラインアレイから、正方向と負方向のいずれか一方に変化する周波数の第１の送信信号と、前記第１の送信信号と逆方向に変化する周波数の第２の送信信号を、時間的に前後して送信し、
   前記第２の手段は、前記受信用ラインアレイから受信した信号に対して、前記第１の送信信号に対応する受信信号を遅延させ、前記第２の送信信号に対応する受信信号のタイミングに合わせる、ことを特徴とする請求項１記載のソーナーシステム。
4. 前記第１の送信信号と前記第２の送信信号の送信方位の変化が同一である、ことを特徴とする請求項２又は３記載のソーナーシステム。
5. 複数の送波素子のアレイからなる送信用ラインアレイから正方向に変化する周波数と負方向に変化する周波数を、目標に向けて送信信号として送信する手段を備えた、ことを特徴とするソーナー用送信装置。
6. 正方向に変化する周波数の第１の送信信号と、負方向に変化する周波数の第２の送信信号を、並置された２つの前記送信用ラインアレイから送信するか、又は、１つの前記送信用ラインアレイから、時間的に前後して送信する手段を備えた、ことを特徴とする請求項５記載のソーナー用送信装置。
7. 複数の受波素子のアレイからなる受信用ラインアレイから受信した信号に対して、正方向に変化する周波数と負方向に変化する周波数に基づき、目標を特定する手段を備えた、ことを特徴とするソーナー用受信装置。
8. 複数の送波素子のアレイからなる送信用ラインアレイから正方向に変化する周波数と負方向に変化する周波数を目標に向けて送信信号として送信し、
   前記送信用ラインアレイに直交して配置され、複数の受波素子のアレイからなる受信用ラインアレイから受信した信号に対して、正方向に変化する周波数と、負方向に変化する周波数に基づき、目標を特定して表示出力する、ことを特徴とするソーナー用目標特定方法。
9. 前記正方向に変化する周波数と前記負方向に変化する周波数について、同一目標からのエコーの周波数を比較し、目標の方位と目標との相対速度を算出する、請求項８記載のソーナー用目標特定方法。
10. 複数の受波素子のアレイからなる受信用ラインアレイから受信した信号に対して、正方向に変化する周波数と、負方向に変化する周波数に基づき、目標を特定する処理をコンピュータに実行させるプログラム。

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